DIZAJN PROIZVODA PREDVIĐENIH ZA PROIZVODNJU ADITIVNIM TEHNOLOGIJAMA

Transcription

1 Sveučilište u Mostaru Adisa Vučina, Milenko Obad, Nebojša Rašović DIZAJN PROIZVODA PREDVIĐENIH ZA PROIZVODNJU ADITIVNIM TEHNOLOGIJAMA Improvement of product development studies in Serbia and Bosnia and Herzegovina TEMPUS RS TEMPUS JPCR Mostar, 2015

2 Dr. sc. Adisa Vučina, izv. prof. Dr. sc. Milenko Obad, red. prof. Dr. sc. Nebojša Rašović, docent Dizajn proizvoda predviđenih za proizvodnju aditivnim tehnologijama Recenzenti: Dr. sc. Bojan Dolšak, izv. prof., Univerza v Mariboru Dr. sc. Senad Rahimić, izv. prof., Univerzitet Dž. Bijedić Mostar Dr. sc. Milan Tica, docent, Univerzitet u Banjoj Luci Nakladnik: Sveučilište u Mostaru Naklada: 250 primjeraka Tisak: CopyShop Mostar CIP - Katalogizacija u publikaciji Nacionalna i univerzitetska biblioteka Bosne i Hercegovine, Sarajevo : ](075.8) VUČINA, Adisa Dizajn proizvoda predviđenih za proizvodnju aditivnim tehnologijama / Adisa Vučina, Milenko Obad, Nebojša Rašović. - Mostar : Sveučilište, str. : ilustr. ; 24 cm Bibliografija: str Registar. ISBN Obad, Milenko 2. Rašović, Nebojša COBISS.BH-ID Projekat Improvement of Product Development Studies in Serbia And Bosnia and Herzegovina (IPROD - No TEMPUS RS-TEMPUS-JPCR) je finansiran od strane Evropske komisije u okviru TEMPUS IV programa. Prezentacija odražava samo stavove autora i Komisija ne može biti odgovorna za bilo kakvu upotrebu informacija koja se sadrže u publikaciji. II

3 SADRŽAJ: DIO I: Adisa Vučina PROTOTIPOVI U SUVREMENOM RAZVOJU PROIZVODA 1. RAZVOJ PROIZVODA Suvremeni izazovi u razvoju proizvoda Proces razvoja proizvoda Integrirani razvoj proizvoda Organizacija razvoja proizvoda Organizacijska struktura razvoja proizvoda Timovi i timski rad Klasifikacija različitih razvojnih projekata PROTOTIPOVI U RAZVOJU PROIZVODA Definicije prototipa Vrste prototipova Ciljevi izrade prototipova Prototipovi u interaktivnom dizajnu Prototipovi u fazama razvoja proizvoda Principi kreiranja i izrade prototipa Poboljšanje uporabe prototipova Planiranje za prototipove LITERATURA 62 DIO II: Milenko Obad CAD MODELIRANJE, REVERZNO INŽENJERSTVO I ADITIVNE TEHNOLOGIJE PROIZVODNJE 1. UVOD PROCES RAZVOJA I IZRADE PROIZVODA CAD SUSTAVI SUSTAVI ZA STVARANJE RAČUNALNIH MODELA PROIZVODA 72 III

4 3.1 Uvod Područja primjene CAD sustava Moderne tehnologije CAD modeliranja proizvoda Pregled poznatih CAD sustava Trendovi daljeg razvoja CAD sustava KREIRANJE CAD MODELA PROIZVODA METODAMA REVERZNOG INŽENJERSTVA Uvod Beskontaktne metode reverznog inženjerstva D lasersko skeniranje Trodimenzionalna fotogrametrija Beskontaktne metode 3D skeniranja u medicini Kontaktne metode reverznog inženjerstva Uvod Koordinatni mjerni uređaji Proces skeniranja objekta koordinatnim mjernim uređajem ADITIVNE TEHNOLOGIJE PROIZVODNJE Uvod Stereolitografija Selektivno lasersko sinteriranje Taložno očvršćivanje Laminiranje D ispis Hibridni PolyJet postupak LITERATURA 136 DIO III: Nebojša Rašović METODE OPTIMIZACIJE U POSTUPKU SLOJEVITE IZRADE 1. PROBLEMI I OGRANIČENJA U POSTUPKU SLOJEVITE IZRADE STL format 146 IV

5 1.2 Određivanje visine sloja Efekt stubišta Teselacija Orijentacija modela METODE VREDNOVANJA CAD MODELA U CILJU OPTIMIRANJA PROCESA KONSTRUIRANJA PROIZVODA Računanje težinskih faktora metodom određivanja prednosti Računanje težinskih faktora metodom matrice odluke POMOĆ U RAZVOJU PROIZVODA Primjena ekspertnih sistema Izgradnja baze znanja Rezultati primjene ekspertnog sistema ZAKLJUČAK LITERATURA 202 POPIS SLIKA 207 POPIS TABLICA 211 KAZALO POJMOVA 213 V

6 VI

7 PREDGOVOR Publikacija Dizajn proizvoda predviđenih za proizvodnju aditivnim tehnologijama, autora dr. sc. Adise Vučina, dr. sc. Milenka Obada i dr. sc. Nebojše Rašovića rezultat je rada na TEMPUS projektu UNAPREĐENJE OBRAZOVANJA NA SVEUČILIŠTIMA U SRBIJI I BIH U OBLASTI RAZVOJA PROIZVODA (EACEA RS TEMPUS JPCR Improvement of product development studies in Serbia and Bosnia and Herzegovina (IPROD), Koordinator projekta je Univerzitet u Nišu, a partnerska sveučilišta su: iz EU - KIT Karlsruhe Insitute of Technology (Nemačka), FDIBA - Technical University of Sofia (Bugarska) i STU - Slovak University of Technology, Bratislava (Slovačka); iz Srbije sveučilišta u Novom Sadu, Beogradu i Kragujevcu; iz BiH sveučilišta u Istočnom Sarajevu, Banjoj Luci i Mostaru. Osnovni cilj projekta je podizanje konkurentnosti regionalne industrije putem unapređenja obrazovanja u oblasti razvoja proizvoda na sveučilištima u Republici Srbiji i Bosni i Hercegovini. Specifični ciljevi projekta su: uvođenje novih studijskih programa u oblasti menadžmenta razvojem proizvoda/inovacijskog menadžmenta i razvoja ekoproizvoda, kao i modernizacija postojećih studijskih programa u oblasti industrijskog razvoja proizvoda; uspostavljanje više obuka iz domena industrijskog razvoja proizvoda u okviru programa cjeloživotnog učenja; harmonizacija i modernizacija obrazovanja u oblasti industrijskog razvoja proizvoda na visokim školama strukovnih studija putem obuke nastavnika sa visokih škola. Opstanak i uspjeh poduzeća u suvremenim uvjetima moguće je osigurati preko inovativnih proizvoda i proizvodnih procesa. Međutim, primjena inovativnih proizvoda i proizvodnih procesa je dosta kompleksna i zahtijeva novi pristup u radu, koji je prvenstveno vezan za optimizaciju raspoloživih resursa, precizno definiranje kompetencija i kooperativni pristup u radu. Osnov kooperativnog pristupa u radu su metode i sustavi, kojima se u svim fazama transparentno prikazuje kompletan proces razvoja proizvoda i njegove proizvodnje. Metodski pristup obuhvaća primjenu VII

8 različitih metoda za razvoj proizvoda, metoda za planiranje i upravljanje proizvodnim procesima kao i metoda vezanih za upravljanje projektima i organizacijski menadžment. Sustavni pristup obuhvaća računalnu podršku u svim fazama procesa razvoja proizvoda i njegove proizvodnje. Moderna izrada prototipa uz primjenu informacijskih tehnologija može višestruko ubrzati proces razvoja proizvoda. Strategiju planiranja proizvoda i procesa određuje buduće tržište. Polazeći od strategije poduzeća analiziraju se potencijali za nove poslove, identificiraju se ideje za nove proizvode i procese i razrađuju i ocjenjuju koncepti proizvoda. Rezultat strategijskog planiranja proizvoda i procesa su razvoj novih inovativnih proizvoda, njihova proizvodnja i plasiranje na tržište. Da bi suvremene kompanije uspješno rješavale ovako kompleksne probleme moraju imati na raspolaganju svestrano obrazovane inženjere. Ovo nameće potrebu da se na sveučilištima izvrši odgovarajuća reforma obrazovanja, suglasno zahtjevima suvremne tehnike i tehnologije. U tom smislu jedan od važnih ciljeva projekta je izdavanje publikacija u oblasti razvoja inovativnih proizvoda i unapređenja poslovanja. Predviđeno je da se u okviru IPROD projekta izda veći broj publikacija iz ove oblasti. Ove publikacije mogu korisno poslužiti obrazovanju studenata tehničkih fakulteta za stjecanje stručnih kompetencija i inovacijske spremnosti u oblasti razvoja proizvoda. Takođe se preporučuju i inženjerima u gospodarstvu koji se bave razvojem inovativnih, tržišno konkurentnih proizvoda za rješavanje praktičnih problema. Voditelj IPROD projekta Prof.dr Vojislav Miltenović VIII

9 RIJEČ AUTORA Udžbenik Dizajn proizvoda predviđenih za proizvodnju aditivnim tehnologijama ima za cilj podršku studentima studija strojarstva i drugih srodnih tehničkih studija u svladavanju suvremenih tehnologija razvoja proizvoda s posebnim osvrtom na moderne aditivne tehnologije proizvodnje. Ovaj udžbenik sastoji se iz tri dijela koji čine jednu logičnu i zaokruženu cjelinu. Prvi dio ima naslov Prototipovi u suvremenom razvoju proizvoda. U ovom dijelu ukratko je objašnjen sam proces razvoja proizvoda, te uloga i korištenje prototipova u tom procesu. Razvoj proizvoda je kompleksan proces s nezaobilaznom izradom prototipa proizvoda, jednom od najznačajnijih aktivnosti u cijelom procesu. Iznesen je pregled suvremenog korištenja prototipova proizvoda i prezentirane su njihove klasifikacije. Drugi dio knjige nosi naslov CAD modeliranje, reverzno inženjerstvo i aditivne tehnologije proizvodnje. Ovaj dio knjige daje pregled modernih CAD informacijskih tehnologija koje se koriste u razvoju proizvoda. Ove tehnologije kreiraju tzv. digitalne modele budućih proizvoda, a ti se modeli koriste u svim daljim fazama sve do nastanka proizvoda i njegovog životnog vijeka. Također, u ovom dijelu knjige obrađene su i tehnike reverznog (povratnog) inženjerstva u razvoju proizvoda, tj. stvaranja digitalnih modela već postojećih proizvoda s ciljem njihovih poboljšanja. Na kraju ovoga dijela dan je pregled sve popularnijih tehnologija slojevite izrade proizvoda, tzv. aditivnih tehnologija koje koriste digitalne CAD modele i vrše izravnu proizvodnju. Treći dio knjige nosi naslov Metode optimizacije u postupku slojevite izrade. Ovaj dio govori o problemima i ograničenjima u primjeni aditivnih tehnologija. Ove se tehnologije naglo razvijaju i sve je više znanstvenih istraživanja s ciljem njihovog poboljšanja. Različiti su problem i ograničenja koji ih prate te načini rješavanja istih. U ovome dijelu izneseni su glavni problemi, ograničenja kao i načini njihovog IX

10 rješavanja s posebnim osvrtom na primjenu inteligentnih rješenja. Inteligentna rješenja temeljena na znanju analiziraju CAD digitalne modele proizvoda i utječu na same modele u procesu njihovog razvoja tj. sugeriraju rješenja izvedbe modela proizvoda s obzirom da se razvijaju s namjerom za proizvodnju aditivnim postupcima. Na kraju izražavamo svoju zahvalnost recenzentima prof. dr. sc. Bojanu Dolšaku sa Univerze u Mariboru, prof. dr. sc. Senadu Rahimiću sa Univerziteta Dž. Bijedić iz Mostara i doc. dr. sc. Milanu Tici sa Univerziteta u Banjoj Luci, na vrlo vrijednim prijedlozima i sugestijama. Također se zahvaljujemo svim kolegama, učesnicima u Tempus projektu IPROD za cjelokupnu uspješnu suradnju i razumijevanje. U Mostaru, travnja godine Autori X

11 1 PROTOTIPOVI U SUVREMENOM RAZVOJU PROIZVODA Adisa Vučina, Sveučilište u Mostaru Fakultet strojarstva i računarstva Danas je razvoj proizvoda prilično složen proces za većinu tvrtki, budući da su proizvodi kompleksni po svojoj strukturi i visokoj tehnologiji. Istovremeno, brzina lansiranja proizvoda na tržište i ispunjavanje zahtjeva kupaca su dodatni izazovi današnjice. Zbog ovoga se istražuju mogućnosti za povećanje efikasnosti samog procesa razvoja proizvoda. Izrada prototipova je sigurno jedna od najznačajnijih aktivnosti u procesu razvoja proizvoda. Povećanje efikasnosti razvoja proizvoda može se postići optimalnim korištenjem prototipova u kombinaciji s jasnom strategijom i dobrom metodologijom procesa razvoja. U ovom dijelu će se analizirati suvremeno korištenje prototipova i prezentirati njihove klasifikacije. Pri tome je važno napomenuti da sam prototip treba promatrati kao alat u procesu razvoja proizvoda, a proces kreiranja prototipa kao metodologiju. U ovom dijelu knjige ukratko je objašnjen sam proces razvoja proizvoda, te uloga i korištenje prototipova u tom procesu. 1

12 1. RAZVOJ PROIZVODA 1.1 Suvremeni izazovi u razvoju proizvoda Današnju industriju moguće je opisati i analizirati kroz tri bitne pokretačke sile: globalno tržište, visoka tehnološka složenost roba i usluga i zahtjevniji potrošači. Danas ne postoji stabilno tržište niti lojalnost potrošača brendu. Konkurencija više nije geografski ograničena na određena područja, ona može doći s bilo kojeg mjesta u svijetu. Na primjer, europske kompanije moraju se natjecati s azijskim koje danas imaju proizvode svjetske klase. Proces razvoja, proizvodnje i prodaje proizvoda je toliko složen da je izvan kontrole jedne tvrtke. Kao rezultat toga, upravljanje lancem proizvodnje dobiva visok stupanj složenosti što bi bilo teško kontrolirati bez podrške informacijskih i komunikacijskih tehnologija. Uz to, nameće se potreba brzog razvijanja novih tehnologija i dubljeg poznavanja postojećih da bi inženjeri povećali raznovrsnost mogućih rješenja pri razvoju proizvoda. Brzo uvođenje novih tehnologija u područjima kao što su elektronika i materijali može tvrtkama osigurati veliku prednost na tržištu. Današnjicu karakterizira sve zahtjevniji sofisticirani potrošač, što nameće obvezu poduzećima da ulažu veće napore da bi kupca držali zadovoljnim i sretnim sa svojim proizvodima i uslugama. Dakle, globalno tržište i brzina razvoja novih proizvoda i usluga su izazovi današnjice. Ovo se još više usložnjava pritiscima da se ubrzaju razvojni ciklus i životni ciklus proizvoda. Nekad su se cijene proizvoda definirale tako što su se troškovi proizvodnje uvećavali za planiranu dobit. Danas pod pritiskom globalnog tržišta, dobit se izračunava tako što se od postignute cijene na tržištu oduzmu troškovi proizvodnje. Poduzeća postavljaju sebi za cilj da brže, jeftinije i kvalitetnije od svojih konkurenata plasiraju svoje proizvode na tržište, jer 2

13 će tako zadovoljiti potrebe i očekivanja kupaca. Ukoliko imaju proces razvoja proizvoda koji može ovo osigurati, postići će prednost pred svojom konkurencijom. Ove tri pokretačke sile današnjice postavljaju izazove pred sam proces razvoja proizvoda, koji imaju svoje bitne karakteristike [1]: Kompromisi: Može se, na primjer, proizvesti lakši avion, ali će to vjerojatno povećati troškove proizvodnje. Jedan od najtežih aspekata razvoja proizvoda je prepoznavanje, razumijevanje i upravljanje ovakvim kompromisima na način da se što je moguće više poveća uspjeh proizvoda. Dinamika: Tehnologije se razvijaju, rastu očekivanja kupaca, konkurencija uvodi nove proizvode, globalno tržište se mijenja. Donošenje odluka u okolini koja se konstantno mijenja je vrlo težak zadatak. Detalji: Odluka da li izabrati vijčanu vezu ili kopčastu na kućištu računala može donijeti milijunske uštede. Razvoj čak i jednostavnih proizvoda može zahijevati donošenje tisuća ovakvih odluka. Vremenski pritisak: Odluke pri razvoju proizvoda se moraju donositi brzo i često na osnovu nepotpunih informacija. Ekonomija: Razvoj, proizvodnja i prodaja zahtijevaju velika ulaganja. Da bi se osigurala dobit, proizvod treba zadovoljiti kupca i biti relativno jeftin za proizvesti. 1.2 Proces razvoja proizvoda Da bi se razumio proces razvoja proizvoda kao i proces izrade prototipova, korisno je razmotriti teoriju samog procesa. Ulrich i Eppinger objašnjavaju proces kao 'niz koraka kojima se ulazni set transformira u izlazni set', znači transformacija nekog ulaza u traženi izlaz [1]. Proces je ''uzastopno korištenje mreže u nizu povezanih aktivnosti korištenjem informacija i resursa da bi se 'ulaz' transformirao u 'izlaz', od 3

14 identifikacije do ispunjavanja potreba kupca" [2]. Ova definicija može se prikazati kao na Slici 1.1. Slika 1.1. Proces transformacije potreba kupca u zadovoljstvo kupca [1] Proces unutar jedne organizacije može se podijeliti na glavne procese i procese podrške [3]. Glavni procesi su oni koji dodaju vrijednost proizvodima ili uslugama koje kreira poduzeće, na primjer proces razvoja proizvoda. Tipičan proces podrške je ljudski resursi kao primjer dijela poduzeća koji doprinosi glavnim procesima. Proces se sastoji iz niza faza, a svaka faza se dijeli na korake. Koraci se mogu dalje dijeliti u elementarne zadatke [4]. Ova podjela je prikazana na slici 1.2. Ukoliko odvijanje procesa nije pod kontrolom i ako rezultati odstupaju od prihvatljivih, može se desiti da kvaliteta opada, a da troškovi rastu. Slika 1.2. Struktura procesa Proces razvoja proizvoda je skup aktivnosti koji počinje s idejom koja se razvija u proizvod koji će zadovoljiti potrebe kupaca. Različiti tipovi proizvoda i okolina u kojoj se razvijaju će doprinijeti specifičnom dizajnu 4

15 procesa razvoja [5]. Ulrich i Eppinger definiraju proces razvoja proizvoda kao niz koraka ili aktivnosti koje jedno poduzeće poduzima da bi dizajnirali proizvod za tržište [1]. Proces razvoja proizvoda može se promatrati i kao proces prerade informacija gdje se zahtjevi kupaca, ciljevi poduzeća i dostupne tehnologije kao ulazne informacije transformiraju kroz kasnije faze u gotov proizvod. Većinu ljudi pojam proces asocira na fizičke transformacije, na primjer na sklapanje nekog proizvoda i slično. Međutim, većina koraka i aktivnosti koje se provode u procesu razvoja proizvoda su više intelektualne i organizacijeske prirode nego fizičke. Različite vrste proizvoda i okruženja u kojima se oni razvijaju utječu na sam razvojni proces [5]. Neka poduzeća su precizno definirala svoje procese razvoja proizvoda, dok neka ne mogu ni opisati svoje procese. Svako poduzeće ima svoje planove procesa koji se međusobno razlikuju, pa čak i unutar jednog oduzeća mogu postojati različiti procesi za različite razvojne projekte. Dobro definiran proces razvoja proizvoda važan je zbog sljedećih razloga [1]: Osiguranje kvalitete: Razvojni proces definira faze kroz koje će razvojni projekt proći i prekretnice na tom putu. Dobro planirane faze i prekretnice će osigurati traženu kvalitetu proizvoda. Koordinacija: Jasno definiran razvojni proces će djelovati kao master plan koji će pomoći različitim članovima tima da točno znaju koje su njihove uloge i kako mogu doprinijeti u cjelokupnom projektu. Također će znati s kim i kada trebaju razmijeniti različite materijale i informacije. Planiranje: Razvojni proces sadrži prekretnice na kraju svake faze i njihovo pravovremeno planiranje značajno će pomoći napredovanju procesa. Menadžment: Uspoređivanjem stvarnog toka aktivnosti s usvojenim procesom, menadžeri mogu predvidjeti moguće probleme. 5

16 Poboljšanje: Pažljivo dokumentiranje razvojnog procesa poduzeća često pomogne da se identificiraju mogućnosti za poboljšanje. Kao što je već spomenuto, različita poduzeća će imati različite procese razvoja proizvoda, čak i unutar jedne iste tvrtke mogu postojati različiti razvojni projekti. Međutim, svi ti procesi će imati jedan zajednički općeniti slijed koji se manje-više može podijeliti u šest faza [1]. Faza 1: Planiranje Ova faza prethodi odobravanju projekta i pokretanju procesa razvoja proizvoda. Započinje sa strategijom poduzeća, uključuje procjenu tehnološkog razvoja i tržišne ciljeve, a završava misijom projekta gdje se definiraju ciljano tržište, ciljevi poslovanja, ključne pretpostavke i ograničenja. Faza 2: Razvoj koncepta U ovoj fazi utvrđuju se potrebe ciljanog tržišta, kreiraju se i procjenjuju različite koncepcijske varijante. Koncept je opis forme, funkcije i karakteristika proizvoda. Fokus u ovoj fazi je na principu rada, a ne na detaljima. Cilj ove faze je odabrati jednu ili više konceptualnih varijanti s kojima se nastavlja razvojni proces. Faza 3: Dizajn na razini sistema Ova faza uključuje definiranje arhitekture proizvoda i dekompoziciju proizvoda na podsisteme i komponente. Rezultati ove faze su prikaz geometrije proizvoda, funkcionalna shema podsistema proizvoda i preliminarni dijagram toka za proces sklapanja. Faza 4: Detaljni dizajn Ova faza uključuje potpunu specifikaciju geometrije, materijala, tolerancija svih nestandardnih dijelova te specifikaciju svih standardnih dijelova za koje će se tražiti dobavljači. Usvaja se plan procesa proizvodnje, projektiraju se alati za sve dijelove koji će se proizvoditi unutar proizvodnog sistema. Rezultat ove faze je tehnička dokumentacija 6

17 za proizvod koja sadrži sklopne i radioničke crteže ili kompjuterske datoteke koje opisuju geometriju svakog dijela proizvoda i potrebnog alata, specifikacije dijelova koji se dobavljaju te se utvrđuju planovi proizvodnje i sklapanja. Faza 5: Testiranje i usavršavanje Faza testiranja i usavršavanje proizvoda podrazumijeva proizvodnju i ocjenjivanje fabričkih verzija proizvoda. One se koriste da bi se procijenilo da li proizvod radi kako je zamišljeno, da li ispunjava zahtjeve kupaca i da li će se moći proizvesti planiranim proizvodnim postupcima. Tvorničke varijante (tzv. alfa i beta prototipovi) trebaju poslužiti za otkrivanje preostalih grešaka u proizvodu prije puštanja u proizvodnju. Faza 6: Pokretanje proizvodnje U ovoj fazi proizvod se izrađuje u namijenjenom proizvodnom sistemu. Cilj je riješiti sve preostale probleme vezane za proces proizvodnje. Ova faza ustvari predstavlja uhodavanje radnika i eliminiranje eventualnih problema u procesu proizvodnje. Prijelaz sa ove faze na punu proizvodnju je postepen dok se svi problemi ne riješe i u jednom trenutku dolazi do lansiranja proizvoda čime on postaje dostupan širem tržištu. Na Slici 1.3 prikazan je proces razvijanja složenih proizvoda. Proces razvoja proizvoda koji predlažu Ulrich i Eppinger je proces koji karakterizira slijed 'faza-prekretnica' kao što se vidi na Slici 1.3. Za svaku prekretnicu (na Slici 1.3 prekretnice su nakon svake faze prikazane rombovima) postoji niz prethodno određenih ciljeva i kriterija koje proizvod mora zadovoljiti da bi se nastavilo sa sljedećom fazom razvojnog procesa. Ovakvom metodologijom moguće osigurati kvalitetu razvojnog procesa. 7

18 Slika 1.3. Proces razvoja složenih proizvoda [1] Koraci kroz koje se prolazi u svakoj fazi i završetak svake faze u procesu razvoja proizvoda mogu se zamisliti kao trodimenzionalna spirala i informacijski proces u kojem informacije unutar spirale napreduju od općih ka specifičnim. Središte spirale predstavlja prekretnicu na kraju svake faze. Rad u svakoj fazi počinje u općem obliku. Sa svakim korakom i pri svakoj iteraciji, tim povećava specifičnost odluke i dizajna i sužava početne široke granice dizajna. Na primjer, faza planiranja počinje s definiranjem potreba. U ovom koraku, timovi raspravljaju o općim idejama i zahtjevima za proizvod ili proizvodnu liniju. Ako tim dizajnira printer, oni bi naveli broj stranica u minuti, da li bi bio crno-bijeli ili u boji, itd. Proizvodni tim bi želio znati koliko printera će se proizvoditi dnevno. Nakon ovih općih uvjeta koje izbace, timovi će definirati specifikacije proizvoda i početi planirati razvojne zadatke. Sa svakim korakom, timovi će se kretati prema središtu spirale, s ciljem da se faza odobri od strane menadžment tima putem prekretnice. Ovo se može prikazati Slikom 1.4 [6]. Ovakav sistem olakšava prepoznavanje inovacije proizvoda kao procesa. Dakle, može se primijeniti i kao metodologija u inovacijskom procesu. Postoji mnogo studija koje naglašavaju važnost ranih faza razvoja proizvoda [7]. Važna strategija u većini razvojnih procesa je saznati što više što je moguće ranije [8]. Problem koji se dešava je očigledan, najvažnje odluke se donose kad je neizvjesnost velika pa je cilj smanjiti neizvjesnost što je više moguće i što je ranije moguće u procesu razvoja 8

19 proizvoda [8]. Naime, cilj je tijekom procesa razvoja proizvoda naučiti što više o proizvodu što je moguće ranije jer su promjene učinjene tijekom ranijih faza manje skupe [9]. Ullman ovaj fenomen objašnjava kroz paradoks procesa dizajna, Što više učiš, imaš manje slobode da iskoristiš ono što znaš [9]. Na početku procesa razvoja najmanje se zna o proizvodu a ima se velika sloboda u dizajnu. Kako proces dizajna prelazi u kasnije faze, sve se više saznaje o proizvodu, ali je sloboda mijenjanja dizajna sve manja, jer bi to vodilo produženjima rokova, povećanju troškova itd. Kako neizvjesnost, troškovi i vrijeme variraju kroz process razvoja proizvoda prikazano je na Slici 1.5 [7]. Slika 1.4. Razvijanje spirale za svaku fazu procesa razvoja proizvoda [6] 9

20 Slika 1.5. Neizvjesnost, trošak i vrijeme prepravki u procesu razvoja proizvoda [7] 1.3 Integrirani razvoj proizvoda Danas je vrijeme za koje se proizvod lansira na tržište od krucijalne važnosti za poduzeće, što znači da se stalno nameće potreba skraćivanja trajanja procesa razvoja proizvoda. Pred razvojne timove se postavljaju zadaci da za što kraće vrijeme razviju što kvalitetniji proizvod i uz što manje troškove. Uspjeh će zavisiti od dobrog balansiranja između četiri moguća cilja unutar procesa razvoja proizvoda [10]: brzina razvoja, cijena proizvoda, kvaliteta proizvoda, trošak razvojnog projekta. Skraćivanje vremena potrebnog za razvoj proizvoda ne smije povećavati troškove, smanjivati kvalitetu i pouzdanost proizvoda, što navodi na potrebu mijenjanja tradicionalnog načina razvoja proizvoda. Uvođenjem integriranog razvoja proizvoda uspijeva se postići ova ravnoteža. Poduzeća često primjenjuju neki oblik integriranog razvoja ili njegove dijelove a da ih ne definiraju kao integrirani razvoj. Postoje mnogi drugi 10

21 nazivi koji se pripisuju ovim principima, kao što su simultano inženjerstvo, integrirani razvoj proizvoda i procesa, istodobno konstruiranje itd. i ovi pojmovi se već koriste. Evo nekih definicija integriranog razvoja proizvoda koji pokazuju kako ga različiti autori vide: Integrirani razvoj proizvoda je sistemski pristup integriranom, istovremenom konstruiranju proizvoda i procesa u vezi s njim, uključujući proizvodnju i podršku. Ovaj pristup je namijenjen da potakne one koji razvijaju, od samog početka, da uzmu u obzir sve elemente životnog ciklusa proizvoda od ideje do odlaganja, uključujući kvalitetu, troškove, raspored i korisničke zahtjeve [11]. Sistemski pristup integriranom razvoju proizvoda naglašava odgovornost prema očekivanjima potrošača. On naglašava važnost suradnje u timskom radu, povjerenje i dijeljenje na takav način da se odlučivanje odigrava s velikim intervalima paralelnog rada po svim aspektima životnog ciklusa, sinkronizirano relativno kratkim razmjenama da bi se dobio konsenzus. [12] Integrirani razvoj proizvoda je upravljanje i inženjerska filozofija za poboljšanje kvalitete i smanjenje troškova i vremena od ideje do razvoja proizvoda za nove proizvode i modifikacije postojećih [13]. Budući da ove definicije pokrivaju tako širok spektar pojmova, od osnaživanja tima do smanjenja troškova, objedinjeni su sljedeći atributi koji karakteriziraju integrirani razvoj proizvoda [14]: fokus na korisnika i njegovu uključenost, rano i stalno sudjelovanje dobavljača u procesu razvoja, multidisciplinarni, osnaženi timovi, dodatno dijeljenje i korištenje informacija, fokus na životni ciklus proizvoda, sistemski i integrirani pristup, istovremeni (paralelni) konstruktorski timovi, 11

22 rana upotreba DESIGN for X (DfX) alata, korištenje modernih alata kao što su CAE, CAD, CAM, metoda konačnih elemenata, itd., i kontinuirano poboljšavanje svih procesa. Pored navedenih karakteristika integriranog razvoja proizvoda, značajno mjesto zauzima korištenje prototipova [15]. Uporedo s povećanjem brzine razvoja proizvoda i proizvodnje, velikom brzinom rasle su mogućnosti izrade prototipova [16]. Danas postoji niz različitih metoda za brzu izradu prototipova, na primjer stereolitografija (STL) [15]. Nove prednosti u brzoj izradi prototipova smanjile su trajanje pojedinih ciklusa u razvoju proizvoda sa nekoliko tjedana na nekoliko dana ili sati [16]. Skraćivanje vremena, potrebnog za izradu prototipova, vodi ka efikasnijem procesu razvoja proizvoda. Neke od prednosti brze izrade prototipova su [17]: ispravljanje pogrešaka u ranim fazama razvoja, eliminacija izrade skupih ranih prototipova, ispitivanje reakcije kupaca na novi industrijski dizajn. Pored kratkih iteracijskih ciklusa, unakrsno funkcionalni timovi su bitan element koncepta integriranog razvoja. Rastuća složenost proizvoda će zahtijevati ranu suradnju i koordinaciju [15], pored rastuće potrebe za komunikacijom. Povećanje potreba za komunikacijom u razvojnim projektima s visokom složenosti je nešto što također navodi Mintzberg [18]. Povećanjem složenosti proizvoda, broj dijelova sistema će se povećavati kao i broj međusobnih odnosa između njih. Broj konstruktivnih izmjena u integriranom razvoju proizvoda je minimiziran u kasnijim fazama dizajna, jer je svaka osoba koja ima udjela u životnom ciklusu proizvoda uključena u proces razvoja, od početka. Dakle, pitanja kao što su održavanje, proizvodnja i korištenje od strane kupaca se razmatraju od samog početka razvojnog procesa u 12

23 multidisciplinarnom timu. Budući da se koriste multidisciplinarni timovi i da su potrošači i dobavljači uključeni u proces od faze definiranja proizvoda, skraćeno je ukupno vrijeme razvoja. Problemi u procesu integriranog razvoja se rješavaju na početku u multifunkcionalnim razvojnim timovima, tako da kada proizvod stigne u proizvodnu organizaciju, nekolicinu problema treba riješiti, a još manje onda kad proizvod bude u proizvodnji. Poduzeća koje žele prijeći na integrirani razvoj moraju biti svjesna vremenskih zahtjeva u planiranju i konstruiranju. Menadžeri ne bi trebali mjeriti proces razvoja i uspoređivati sa tradicionalnim procesom te očekivati da se trajanja faza poklope. Uštede u vremenu kod integriranog razvoja dolaze na kraju procesa, a ne u ranim fazama. Mnoga velika poduzeća koriste integrirani razvoj od ranih 1980-ih, te je prikupljena značajna količina podataka o prednostima integriranog razvoja u tim poduzećima. Pogodnosti koje su postignute uspješnom provedbom integriranog razvoja u velikim poduzećima su [19]: Trajanje razvoja i proizvodnje su skraćeni: - trajanje razvoja proizvoda skraćeno i do 60%, - trajanje proizvodnje skraćeno za 10%, - ukupni proces izrade mikroelektronike skraćen i do 46%. Mjerljiva poboljšanja kvalitete: - povećanje dobiti do 4 puta, - područje stope neuspjeha smanjeno i do 83%. Poboljšanja inženjerskog procesa: - inženjerske promjene po crtežu smanjene i do 15 puta, - inženjerske promjene u ranoj proizvodnji smanjene za 50%, - odbacivanje i prerade smanjene i do 87%. 13

24 Jedna od najvažnijih navedenih prednosti korištenja integriranog razvoja je skraćenje vremena potrebnog za izlazak proizvoda na tržište, tj. perioda od definicije proizvoda do proizvodnje prvog proizvoda. Tabela 1.1 prikazuje vremena potrebna za izlazak proizvoda na tržište za neke velike korporacije koje su klasificirane kao brzi inovatori [20]. Tabele 1.2 i 1.3 prikazujue skraćeno vrijeme od narudžbe do dostave. Treba imati na umu da je jedan od glavnih faktora koji su doprinijeli skraćenju vremena u ovim primjerima bio korištenje multidisciplinarnih timova. Tablica 1.1. Vrijeme potrebno za razvoj proizvoda prije i nakon uvođenja integriranog razvoja proizvoda (IRP) u velikim kompanijama SAD-a [20] Brzi inovatori Najbolje vrijeme razvoja proizvoda Glavni Kompanija Proizvod Prije IRP Nakon IRP Smanjenje faktori (mjeseci) (mjeseci) AT&T Telefoni % ACM British Avioni % MS Aerospace Digital Računala % ACMS Equipment Ford Automobili % -- GM Motori % MS GM/Buick Automobili % MS Goldstar Telefoni % CM Hewlett- Printeri % ACMS Packard IBM % ACM Motorola Mobiteli % ACM Navistar Kamioni % MS Xerox Kopir aparati % ACM A Analitičke metode i alati, M Multidisciplinarni timovi C Računalne integracije, S Dobavljači u projektnom timu 14

25 Tablica 1.2. Vrijeme od narudžbe do otpremanja za velika poduzeća, brze proizvođače [20] Brzi proizvođači Kompanija Proizvod Narudžba - otpremanje Prije IRP Nakon IRP Brunswick Ribarske role 3 tjedna 5 dana HP Oprema za ispitivanja 4 tjedna 5 dana Motorola Pejdžer 3 tjedna ¼ dana Tablica 1.3. Vrijeme potrebno za izlazak na tržište prije i nakon uvođenja integriranog razvoja proizvoda (IRP) u kompaniju Comdial (SAD) [14] Proizvod Vrijeme potrebno za izlazak na tržište (time to market) Poboljšanje Printane ploče 2 mjeseca 1,5 mjeseca 25% Telefoni 18 mjeseci 9 mjeeci 50% Općenito, kroz provedbu integriranog razvoja proizvoda unutar poduzeća mogu se ostvariti sljedeće pogodnosti: povećanje kvalitete proizvoda, smanjenje troškova i potrebnog vremena, manji troškovi ispitivanja i kontrole, smanjenje broja inženjerskih promjena, povećanje profitabilnosti, poboljšanje konkurentnosti, veća motiviranost zaposlenika, i veće zadovoljstvo kupaca. Ta poboljšanja se mogu dogoditi jedino kada se provode svi aspekti integriranog razvoja. Miješanje principa integriranog razvoja s procesima tradicionalnog, tzv. sekvencijalnog inženjerstva vodi ka kaosu i frustraciji 15

26 zaposlenika. Integrirani razvoj proizvoda se može uspješno provoditi jedino uz zalaganje i predanost menadžmenta poduzeća. 1.4 Organizacija razvoja proizvoda Da bi poduzeća ostvarila uspješan razvoj proizvoda, ona moraju organizirati svoje zaposlenike na način da dobiju efikasnu primjenu procesa [1]. Prelazak sa sekvencijalnog na integrirani razvoj proizvoda zahtijeva promjene u organizacijskoj strukturi, upravljanju kadrovima i poslovnoj praksi. Poduzeća moraju promijeniti način na koji razmišljaju o svom pristupu razvoju proizvoda i procesa, interakciji zaposlenika, i odnosima s kupcima i dobavljačima. Uspješna provedba integriranog inženjerstva uključuje promišljanje kako su se procesi izvršavali u prošlosti, i kreće se prema osnaživanju zaposlenika i otvorenoj komunikaciji između svih organizacijskih jedinica. Sve ove promjene zahtijevaju izmjenu u kulturi organizacije koja se može postići jedino uz potporu i predanost višeg menadžmenta. Kada se razmatraju mogućnosti promjene u organizacijskoj strukturi, potrebno je analizirati tri važna pitanja [21]: samu organizacijsku strukturu, rad zaposlenika, i poslovne prakse i procedure. Organizacijsku strukturu unutar poduzeća obično diktira sam proizvod. Na primjer, poduzeće koje proizvodi telefonske sisteme može biti strukturirano u funkcionalne cjeline kao što su dizajn, proizvodnja i administracija (što uključuje zaposlenike, kupovinu i sl.), a unutar svake funkcionalne cjeline struktura se definira prema zadacima unutar funkcije. Tako se funkcija dizajna može podijeliti na tri glavne grupe: mehanički hardver, električna oprema, i software. Glavno pitanje koje se mora rješavati unutar organizacijske strukture poduzeća jeste kako da se omogući jačanje timova te komunikacija i suradnja među funkcijama. 16

27 Ako se organizacija promatra s aspekta rada zaposlenika, voditelji timova bi trebali izvještavati viši menadžment izravno kao i voditelje funkcionalnih cjelina. Preporuka je da se nagrađuje timski rad, a tim bi trebao biti u mogućnosti nagraditi pojedinačne izvedbe. Nagrada može biti za projekt završen na vrijeme ili prije roka, za visoku kvalitetu dizajna proizvoda koji rješava nekoliko problema s kvalitetom, i za postizanje predviđenih troškova ili njihovo smanjenje. Kad se razmatraju poslovna praksa i procedure, odnos s dobavljačima i korisnicima će se promijeniti. Obje ove skupine trebaju dobiti aktivniju ulogu u procesu razvoja novih proizvoda. Također, postupci i procedure koje se međusobno natječu trebaju se eliminirati Organizacijska struktura razvoja proizvoda Postoje dvije klasične organizacijske strukture razvoja proizvoda, funkcionalna i projektna organizacija. Kod funkcionalne strukture organizacijske veze se uspostavljaju uglavnom unutar istih funkcija. Kada su članovi funkcionalne strukture dio projekta, tada osim jake veze koja postaji unutar funkcije ne postoje jake veze unutar projekta. Funkcionalna organizacijska struktura razvoja proizvoda se često koristi u malim poduzećima koja prakticiraju integrirani razvoj proizvoda. U ovom tipu strukture, organizacija je podijeljena po funkcijama (disciplinama), kao što su marketing, inženjering i proizvodnja i sve to nadziru funkcionalni upravitelji. Projekti su podijeljeni po funkcijama, a sva pitanja koja zahtijevaju koordinaciju preko tih funkcija se obrađuju na neredovitim sastancima. Tipično, kad svaka funkcija završava svoj rad, prelazi se na sljedeću kao kod sekvencijalne metode razvoja proizvoda, kao što pokazuje strelica na Slici 1.6 u funkcionalnoj strukturi. Prednost ovog tipa strukture je da svaka funkcija može razvijati svoju disciplinu, posebno u velikim poduzećima s mnogo sredstava. Postoji nekoliko slabosti ove organizacijske strukture. Struktura može biti vrlo birokratska, pogotovo u većim poduzećima, a tu je i ograničena koordinacija između funkcija. Također, razvoj proizvoda je često usporen iteracijama između funkcija. 17

28 Za razliku od funkcionalne organizacije, u projektnoj postoje jake veze unutar projekta. Svaki tim čine osobe iz različitih funkcija koje su fokusirane na razvoj specifičnog proizvoda ili procesa. Rad članova tima će ocjenjivati projekt menadžer za razliku od funkcionalne strukture gdje funkcijski menadžer ocjenjuje svakog člana. Temeljna snaga projektne organizacije leži u jakom fokusu i mogućnosti da se dobro upravlja unakrsnofunkcionalnom integracijom [22]. Da bi se iskoristile prednosti i funkcionalne i projektne organizacije, može se primijeniti organizacija matrice [23]. Postoje četiri tipa struktura razvoja proizvoda: funkcionalna, lagana, teška i autonomna [24]. Slika 1.6 prikazuje ove strukture grafički. U laganoj strukturi sva funkcionalna područja koja su uključena u razvoj proizvoda imaju predstavnika u razvojnom timu. Rad i dalje ostaje u funkcionalnim područjima, međutim, projekti imaju rasporede, njima se koordinira i nadzire od strane voditelja projekta (projekt menadžer) koji vodi tim funkcionalnih predstavnika. U ovoj strukturi, snaga je još kod funkcionalnih voditelja a voditelj projekta ima malo ovlasti. Sve dodjele sredstava su unutar funkcija i voditelj projekta ima zadatak zadržati funkcionalne voditelje informiranim o napretku i potrebama projekta. U teškoj strukturi, članovi tima za razvoj proizvoda se biraju iz funkcionalnih područja. Iako su još uvijek vezani za svoju funkcionalnu skupinu, oni se uključeni u tim za razvoj proizvoda za cijelo vrijeme trajanja projekta. Voditelj projekta je odgovoran za sve zaposlenike na projektu, za uspjeh ili neuspjeh projekta. Velik dio posla se još uvijek pojavljuje u funkcijama, ali rad nadzire voditelj projekta i projektni tim, a ne funkcionalni upravitelj. U autonomnoj organizacijskoj strukturi, kao i u teškoj i lakoj strukturi, članovi tima za razvoj proizvoda dolaze iz funkcionalnih područja. Za razliku od drugih struktura, voditelj projekta ima punu kontrolu nad članovima tima i odgovoran je za ocjenjivanje njihove učinkovitosti, ne dijeli je s funkcionalnim menadžerima. Često se koristi autonoman tim u kojem istaknuti zaposlenici rade neovisno o ostatku poduzeća da bi razvili inovativne proizvode. 18

29 Slika 1.6. Organizacijske strukture razvoja proizvoda [24] Da bi se donijela odluka o tome koju organizacijsku strukturu koristiti u razvoju proizvoda, najbolje je pokušati prije toga odgovoriti na nekoliko pitanja [25]: Koliko je važna unakrsno funkcionalna integracija? Funkcionalne organizacije mogu imati poteškoća pri punoj unakrsno funkcionalnoj integraciji. Funkcionalnim organizacijama je lakše kordinirati preko funkcionalnih jedinica. Koliko su važne suvremene funkcijske ekspertize za poslovni uspjeh? Kada je potrebno ugraditi stručnost i specijalizaciju u nekoliko generacija proizvoda, funkcionalne veze će biti neophodne. 19

30 Da li se pojedinci iz svake funkcije mogu u potpunosti iskoristiti tokom trajanja projekta? Ovisno o visini sredstava predviđenih za projekt mogu biti korisne različite organizacijske strukture. Ako poduzeće nije u mogućnosti u potpunosti iskoristiti sredstva, projekt bi trebalo usmjeriti ka funkcionalnoj organizaciji. Koliko je važna brzina razvijanja proizvoda? U projektnoj organizaciji nastoji se brzo rješavati probleme tako da se projekt odvija s kraćim prekidima. Funkcionalna organizacija često ima komplicirane metode rješavanja problema u koje je potrebno uključiti više funkcija i ljudi. Za uspješan razvoj proizvoda timovi trebaju biti organizirani tako da postignu efikasnu komunikaciju, koordinaciju i odlučivanje [17]. Ne postoji jedna prava organizacijska struktura za poduzeće. Organizacija često ovisi o novom proizvodu koji će se razvijati. Na primjer, ako poduzeće želi razviti inovativni proizvod koji je vrlo različit od njihovih postojećih proizvodnih linija, tada se predlaže jedna autonomna struktura, ukoliko mogu uštediti resurse. Mnoga mala poduzeća koja prakticiraju integrirani razvoj proizvoda i proizvode različite proizvode koriste laganu strukturu. Članovi tima u ovom tipu strukture javljaju se svojim funkcionalnim menadžerima da predoče trenutni status projekta. Funkcionalni menadžeri mogu donositi odluke o raspodjeli sredstava. Međutim, viši menadžment mora osigurati da se sukobi koji nastaju između projektnih menadžera i funkcionalnih menedžera riješe brzo kako bi se izbjegle nepotrebne odgode i favoriziranje među projektima. Lagana struktura je posebno dobro prilagođena za brzi razvoj proizvoda koji slijedi postojeće proizvode, što je većina razvojnih projekata koje poduzimaju mala poduzeća. Pošto su prednosti integriranog razvoja proizvoda već dokazane i značajne, postavlja se logično pitanje zašto sva poduzeća ne prelaze na ovu metodologiju razvijanja proizvoda. Uvođenje nove metodologije, kao 20

31 što je integrirani razvoj proizvoda, ne može se desiti preko noći. U poduzećima često postoji veliki otpor prema uvođenju promjena u načine izvođenja poslova, pa tako i u proces razvoja proizvoda, i to ne ovisi o veličini poduzeća [26]. Postoje brojni razlozi zbog kojih se obično poduzeća opiru uvođenju ovakvih promjena: Razvoj proizvoda se ne promatra ili uči kao proces. Tradicionalno se o razvoju proizvoda razmišlja kao o umjetnosti, a ne kao o nečemu što se može opisati kao metodičan proces. Tradicionalno razmišljanje je da njime nije moguće upravljati i da se on samo dogodi. Poboljšanja obično zahtijevaju kulturnu promjenu: Kulturnu promjenu je uvijek teško provesti. Mijenjanje načina na koji ljudi rade uključuje veliku neizvjesnost za radnika kao individualca koji obično reagira s rezervom [27]. Promjene su preopširne: Proces razvoja proizvoda prolazi kroz mnoge funkcije i odjele tvrtke. Mijenjanje tog procesa zahtijeva znatnu količinu i vremena i resursa da bi se temeljito provelo. Najbolji pristup je započeti s pilot-projektom, a zatim graditi na uspjehu tog projekta širenjem na više projekata s vremenom [14]. Sa svakim novim projektom, prethodni projekt se treba ocijeniti i to koja unapređenja su ostvarena, koji nove alate i tehnologije su inkorporirani, i novo osoblje koje je uključeno. Na kraju, načela integriranog razvoja provoditi će se u cijelom poduzeću. Razvijen je niz koraka koji mogu poslužiti kao smjernice za provedbu integriranog razvoja, to je prikazano na Slici 1.7. Tvrtka prvo mora uvidjeti potrebu da mijenja svoju trenutnu praksu razvoja proizvoda. U većini slučajeva tvrtka bude suočena s krizom, kao što je gubitak dijela svog tržišta, ili konkurentski proizvodi koji se pojavljuju kod njihovih kupaca. Dalje, može se desiti da tvrtka mora da povisi cijenu svojih proizvoda, što sigurno neće proći zbog jeftinijih konkurentskih proizvoda. Tada se mora okrenuti poboljšanju proizvoda ili procesa koji mogu pomoći da se postigne konkurentna cijena. 21

32 Slika 1.7. Pregled strategije uvođenja integriranog razvoja u poduzeće [14] Timovi i timski rad Timovi igraju važnu ulogu u razvoju proizvoda. Postoji obilje literature na temu formiranja, razvoja i upravljanja timovima. Timovi za razvoj proizvoda u organizacijama se formiraju povlačenjem osoblja iz različitih funkcionalnih cjelina. Tako se formiraju unakrsno-funkcionalni timovi. Međutim, dovesti sve ove ljude da rade zajedno da se formira tim uvijek je veliki izazov. Tim se može definirati kao [28]:...mali broj ljudi s komplementarnim vještinama koji su posvećeni zajedničkom cilju, koji su postavili skup izvedbenih ciljeva, i pristup u kojem se svi drže međusobno odgovornim. Ključni korak u uspješnom korištenju timova je obuka. Udruživanje skupine ljudi iz različitih funkcionalnih područja tako da funkcioniraju kao tim može biti teško, pogotovo ako unakrsnofunkcionalni timovi nisu redoviti dio poslovanja poduzeća. U tim situacijama, obuka na početku razvojnog projekta je imperativ za uspjeh. Obuka može pomoći timu da poveća svoju efikasnost, a sama obuka je najefikasnija kad se timu daje 22

33 pravi ili simulirani problem koji treba riješiti pod vodstvom trenera. Još jedna efikasna metoda obuke je uvođenje ljudi koji će olakšati rad tima. Oni mogu pomoći zadržati tim na pravom putu i pomoći članovima tima naučiti rješavanje sukoba, koji su česti u unakrsnofunkcionalnim timovima čiji članovi dolaze iz različitih područja poput umjetnosti, ekonomije, inženjerstva i slično. Osim obuke, postoji nekoliko drugih stvari potrebnih timu da bude uspješan: kreativnost, stručnost, vodstvo, organizacija, resursi, i metoda ili strategija za rješavanje sukoba. U timu se mora pažljivo upravljati kreativnosti i stručnosti. Stručnost u timu je osigurana ukoliko su članovi izabrani iz funkcionalnih područja kao što su marketing, konstruiranje, proizvodnja, održavanje itd. Međutim, to znanje mora biti uravnoteženo s kreativnošću. Naime, inženjeri imaju tendenciju da preporučuju ona rješenja i konstrukcije koje su im bliske, koje najbolje poznaju. Na primjer, ako je u timu jedan inženjer s dobrim znanjem i iskustvom iz proizvodnje limova, malo je vjerojatno da će preporučiti izradu dijelova lijevanjem. S druge strane, kreativna rješenja mogu potaknuti tvrtke na nove linije proizvoda, ali se i kreativnost treba držati stvarnosti. Primjerice, razvoj novih tehnologija ne treba poduzeti u razvoju proizvoda s kratkim rokovima. Vodstvo treba biti u stanju balansirati kreativnost i stručnost u korist tima i poduzeća. Vodstvo može doći s različitih mjesta, kao što su viši menadžment, voditelji projekata i voditelji timova. Organizacija i izvori su djelokrug uprave (menadžmenta). 23

34 Osim odabira članova timova za svoje komplementarne vještine, osobnost igra važnu ulogu u timskoj dinamici i uspješnosti. Članovi unakrsnofunkcionalnih timova igraju dvije različite uloge: oni svojim tehničkim vještinama i znanjima predstavljaju svoje funkcionalno područje, i oni imaju raspon ponašanja na temelju svoje osobnosti [29]. Jedna od glavnih uvjeta uspješnog djelovanja tima jeste njegovo osnaživanje pri donošenju odluka, pošto se menadžeri moraju naučiti odreći mnogih odluka koje su nekad kontrolirali. Viši menadžment tada dobiva više globalnu ulogu u odnosu na prošlost. Ta uloga uključuje: definiranje misije i granica, osiguranje strateške forme, pružanje mogućnosti za karijeru i rast, podrška, osiguravanje resursa, te mjerenje napretka kroz preglede. Uprava mora osigurati da se poduzeti projekt poklapa sa strategijom poduzeća, a zatim definirati granice i misiju projektnog tima kako bi se osiguralo da oni neće otići u smjerovima koji se ne poklapaju sa strategijom poduzeća. Menadžeri bi trebali birati članove tima ne samo zbog njihovog doprinosa timu, nego i da bi pružili nove prilike i napredovanje svojim zaposlenicima. Uprava je također odgovorna za osiguravanje potpore i resursa potrebnih timu da dovrši razvoj na vrijeme i unutar proračuna. Konačno, viši menadžment prati napredak tima kroz preglede na ključnim mjestima kroz cijeli razvojni process. Uočava se da se od menadžera više ne traži da daju raspored ili donose ključne tehničke odluke (rješenja). Njih sada izrađuje tim. 24

35 Osnaživanje tima može poboljšati efikasnost poduzeća. Uprava treba imati na umu da osnaživanje znači da se odluke trebaju donositi na mjestu najvećih informacija, što znači među zaposlenicima, a ne na razini uprave. Osnaživanje tima ima dva dijela: dio upravljanja i psihološki dio. Dio upravljanja uključuje dijeljenje moći (npr., guranje odluka prema dolje u organizacijama koliko god je to moguće, široka razmjena informacija, sudjelovanje zaposlenika u postavljanju ciljeva i rješavanju problema smanjujući pravila i ograničenja). Psihološki dio znači pomoći ljudima da vide rezultate svojih postupaka [30]. Osnaživanje tima je promjena koju je teško ostvariti u poduzeću koje je poslovalo po više autokratskom sustavu. Međutim, jednom kada dođe do promjene, rukovodilac i zaposlenici mogu biti ispunjeniji. Od menadžera se više ne traži da donose detaljne odluke o razvoju, o kojem imaju malo informacija. Umjesto toga, oni se mogu fokusirati na više globalna pitanja kao što su strategija i resursi. Zaposlenici su ispunjeniji, jer njihove odluke imaju izravan utjecaj na proizvod i oni osjećaju da su sada u mogućnosti napraviti pravi doprinos poduzeću. 1.5 Klasifikacija različitih razvojnih projekata Dizajn procesa razvoja proizvoda ovisi o tome kakav proizvod se razvija i kako se planiraju ulaganja. Proizvodi se mogu svrstati u različite kategorije, ovisno o njihovim svojstvima. Prema [22], uspostava odgovarajuće klasifikacije rezultira jednostavnijim objašnjenjem strategije menadžmenta u vezi s planiranjem, osobljem i vođenjem pojedinih projekata. Ona također pomaže da se razvije zajednički plan projekata jer različiti projekti zahtijevaju različite razine resursa i predanosti. Proces razvoja proizvoda koji se primjenjuje u tržišno vođenom okruženju, gdje se potrebe kupaca mogu prepoznati kao tržišna prilika, obično koristi raspoložive tehnike unutar poduzeća kako bi se zadovoljile potrebe. Međutim, u nastavku su i drugi proizvodi, gdje se mogu prepoznati druge vrste razvojnih projekata [1]. 25

36 Proizvodi vođeni tehnologijom Pri razvoju ovog tipa proizvoda poduzeće prvo razvije neku novu tehnologiju, a nakon toga traži odgovarajuće tržište gdje bi se ta tehnologija mogla primijeniti. U ovom slučaju tehnologija predstavlja pokretačku silu razvoja. Primjeri ovih proizvoda su Tyvek omotnice i Gore-Tex (izolacije za električne kabele, vještačke vene pri vaskularnoj kirurgiji, vodootporna obuća, zubni konac). Nije rijedak slučaj da se razvije neka tehnologija, zatim se razvije proizvod koji primjenjuje tu tehnologiju, a onda se razvije i potreba kupaca na tržištu. Mnogo uspješnih proizvoda ovog tipa koriste osnovne materijale i postupke izrade i obrade. Proces razvoja ovih proizvoda počinje fazom planiranja u kojoj se nova tehnologija nastoji spojiti s mogućnostima na tržištu. Ukoliko se pronađe mogućnost primjene slijede ostale faze razvojnog procesa, s tim da se u konceptualnoj fazi naglašava da će se u proizvodu koristiti nova tehnologija poduzeća. Iako danas ima dosta uspješnih proizvoda ovog tipa na tržištu, ovakav način razvoja proizvoda može nekad biti i loš za poduzeće. Naime, ovakvi proizvodi će biti uspješni jedino ako pretpostavljena tehnologija nudi jasnu konkurentnu prednost u zadovoljavanju potreba kupaca i ako konkurenti neće biti u mogućnosti naći odgovarajuću alternativnu tehnologiju. Ukoliko razvojni tim razmatra istovremeno niz konceptualnih varijanti među kojima neke ne primjenjuju novu tehnologiju, tim će biti u mogućnosti potvrditi da je proizvod koji ima novu tehnologiju superiorniji u odnosu na alternative. Proizvodi platforme Razvoj ovih proizvoda se zasniva na već postojećoj tehnologiji (tehnološkoj platformi). Primjer takve platforme je operativni sistem za Apple Macintosh, film za polaroidne kamere itd. Početna ulaganja u ove platforme su jako velika i zato se nastoji da ih se što više uvede u različite proizvode. Proces razvoja ovih proizvoda je sličan razvoju proizvoda koji se vođeni tehnologijom jer tim počinje razvoj proizvoda s pretpostavkom da će koncept proizvoda sadržavati već određenu tehnologiju. Osnovna razlika je u tome da je tehnologija već poznata i provjerena na tržištu u zadovoljavanju potreba kupaca. 26

37 Proizvodi uvjetovani procesom Za ovaj tip proizvoda razvoji proces je strogo ograničen procesom proizvodnje, tako da se razvoj proizvoda čak i u konceptualnoj fazi ne može odvojiti od dizajna proizvodnog procesa. Primjeri ovakvih proizvoda su poluvodiči, hrana, kemikalije, papir. U nekim slučajevima istovremeno se razvijaju novi proizvod i novi proizvodni proces. Na primjer, ako se razvija novi oblik neke grickalice (krekeri, pereci i sl.) ili pahuljica za doručak to će zahtijevati istovremeni razvoj i proizvoda i procesa. U drugom slučaju može se desiti da se poduzeće unaprijed odluči za postojeći proizvodni proces, pa je tada razvoj proizvoda ograničen mogućnostima tog procesa. Na primjer neki papirni proizvod koji će se raditi u određenom postrojenju za proizvodnju papira, ili novi poluvodič u postojećem proizvodnom pogonu. Proizvodi po narudžbi Ovi proizvodi se razlikuju od standardnih i razvijaju se na osnovu konkretne narudžbe. Tu spadaju motori, sklopke, baterije, spremnici i sl. Kod razvoja ovakvih proizvoda striktno se definiraju vrijednosti u dizajnu kao što su materijali i dimenzije. Poduzeća koja rade proizvode po narudžbi obično imaju detaljno razrađen razvojni proces koji uključuje jasno definirane faze sa strukturiranim tokom informacija. Ovakvi razvojni procesi često sadrže na stotine pažljivo definiranih aktivnosti. Proizvodi visokog rizika To su proizvodi kod kojih postoji velika neizvjesnost na tržištu ili tehnološka neizvjesnost, što vodi ka velikom tehničkom riziku (da li će proizvod pravilno raditi?) i tržišnom riziku (da li će se kupcu svidjeti ono što tim razvije?). Ovdje spadaju i proizvodi kod kojih postoji neizvjesnost budžeta ili roka dovršetka. Razvojni proces kod proizvoda visokog rizika se modificira da bi se tim mogao suočiti s rizičnim situacijama, a cilj je da se najveći rizici prepoznaju u ranim fazama razvoja proizvoda. Ovo podrazumijeva provedbu testiranja, izradu prototipova i to u ranim fazama razvoja. Stupanj rizika se stalno razmatra i cilj je rizik tijekom vremena smanjiti, a ne odgoditi. Na primjer, ako se razvija novi proizvod 27

38 za koji nije izvjesno kako će ga prihvatiti kupci, moguće je uraditi računalni 3D prototip, ili fizički prototip rano u procesu razvoja i ispitati prihvaćanje od strane kupaca. Isto tako, ukoliko postoji tehnički rizik, opravdano je izraditi fizički prototip s ključnim karakteristikama i ispitati ga ranije u procesu razvoja. Moguće je raditi paralelno na više varijantnih rješenja da bi se osiguralo da jedno od njih uspije. Važno je da se proizvod redovito ispituje kroz razvojni proces s obzirom na rizike nastojeći da se ti rizici vremenom smanje, a ne da se odgađaju. Ovdje spadaju proizvodi svemirske tehnologije ili, naprimjer, farmaceutski proizvodi kod kojih se redovito ne poznaje ukupni učinak lijeka. Proizvodi brze izrade Obično se odnosi na softvere i elektroniku koji omogućuju brze cikluse izrade i testiranja koja se mogu ponavljati mnogo puta, što omogućuje brzu reakciju kupaca. Timovi mogu iskoristiti prednosti brzih iteracija i postići fleksibilan proces razvoja proizvoda koji se ponekad naziva spiralni proces razvoja proizvoda. Nakon konceptualne faze, u dizajnu na razini sustava vrši se raščlamba proizvoda na svojstva visokog, srednjeg i niskog prioriteta. Nakon toga se vrši niz cikličkih aktivnosti (dizajn, realizacija, integracija i testiranje) pri čemu se prednost pridaje svojstvima visokog prioriteta. Ovaj proces koristi prednosti brze izrade prototipova kao alata za učenje u svakom ciklusu u smislu kako mijenjati prioritete u sljedećem ciklusu. Nakon par cilusa moguće je uključiti i kupce u postupcima testiranja. S obzirom na vrijeme i razvojna ulaganja, najčešće se svojstva visokog i srednjeg prioriteta u potpunosti razviju i inkorporiraju u novi proizvod, dok se svojstva niskog prioriteta mogu ostaviti za sljedeću generaciju proizvoda. Kompleksni sistemi To su proizvodi većih dimenzija kao što su automobili ili zrakoplovi koji su sastavljeni od velikog broja podsistema i komponenti koje međusobno djeluju jedni na druge. Pri razvoju kompleksnih sistema, modifikacije razvojnog procesa se odnose na sistemsku razinu. Konceptualna faza razmatra arhitekturu cijelog sistema. Dizajn na razini sistema je izrazito 28

39 kritična faza u kojoj se sistem razlaže na podsisteme, a oni se dalje razlažu na komponente. Dodatni timovi integriraju ove komponente u podsisteme i dalje u sisteme. Detaljno konstruiranje komponenti je paralelan proces u kojem mnogo timova radi na pojedinim komponentama. Faza testiranja i poboljšanja uključuje integraciju sistema i temeljito testiranje i ocjenu na svim razinama. 29

40 2. PROTOTIPOVI U RAZVOJU PROIZVODA 2.1 Definicije prototipa Ne postoji opća suglasnost o tome što je "prototip". Prototip kao pojam ima prilično široko značenje i teško ga je objasniti jednom definicijom. Često se kao zamjena koristi riječ "model", što može dovesti do zabune. Ullrich i Eppinger, [1], definiraju prototip kao aproksimaciju proizvoda u jednoj ili više dimenzija interesiranja. Pod ovom definicijom, svaki prototip je izložen bar jednom aspektu proizvoda koji je od interesa razvojnom timu. Ova definicija odstupa od standardne upotrebe koja uključuje različite forme prototipa kao što su konceptualne skice, matematički modeli, simulacije, dijelovi za ispitivanje, i potpune funkcionalne predprodukcijske verzije proizvoda. Pod prototipiranjem (engl. prototyping) ovdje se podrazumijeva proces razvijanja jedne takve aproksimacije proizvoda, bilo da se radi o fizičkom prototipu, analitičkom, računalnom itd. Buxton, [31], podvlači razliku između skica i prototipova, za njega su skice 'brze, pravovremene, jeftine, za jednokratnu upotrebu, obilne', 'one ukazuju i istražuju, a ne potvrđuju'. U suprotnom prototipovi su 'didaktički, oni opisuju poboljšanja, nude odgovore, testiraju, rješavaju; oni su specifični opisi'. U širem smislu, Moggridge, [32], definira prototip kao "reprezentaciju dizajna, izrađenu prije no što nastane krajnje rješenje'. Houde i Hill, [33], na sličan način ukazuju na svrhu prototipova kao pokazatelja buduće stvarnosti, i razlikuju njihove dvije funkcije proučavanje i dokazivanje. Buchenau i Suri, [34], dodaju i treću funkciju prototipa promatrajući ga kao sredstvo za dobivanje empatije, nazivaju ga 'prototip iskustva' (experience prototype) jer omogućava članovima tima, korisnicima i klijentima da iz prve ruke steknu uvažavanje postojećih ili budućih uvjeta kroz aktivan angažman s prototipovima: "Prototip je bilo kakva reprezentacija, u bilo kojem mediju, dizajniran kako bi razumjeli, istražili ili prezentirali mogući rad s proizvodom, prostorom ili sistemom koji 30

41 dizajniramo''. Lim i Stolterman, [35], su utemeljili ulogu prototipa kao sredstva za učenje: "Prototipovi su sredstva pomoću kojih dizajneri organski i evolucijski uče, otkrivaju, generiraju i poboljšavaju svoj dizajn". 2.2 Vrste prototipova Prema Ulrichu i Epingeru, [1], prototipovi se mogu klasificirati na osnovu dva kriterija, dvije dimenzije. Prvi kriterij bio bi zapravo stupanj do kojeg je prototip fizički, za razliku od analitičkog. Fizički prototipovi su opipljivi predmeti kreirani radi aproksimacije proizvoda i ispitivanja određene funkcije. Obilježja proizvoda koja su od interesa razvojnom timu se ugrađuju u predmet radi ispitivanja i eksperimenta. Primjeri fizičkih prototipova uključuju modele koji izgledaju kao proizvodi ili njihovi dijelovi. Cilj ovih prototipova je ispitati koncept veoma brzo, ili, drugim riječima, ispitati hardver da bi se dokazala funkcionalnost proizvoda ili nekog njegovog dijela. S druge strane, analitički prototipovi predstavljaju proizvode u nematerijalnim oblicima koji su obično matematički ili vizualni. Uvijek je bolje analizirati takav prototip nego ga odmah pustiti u proizvodnju. Primjeri analitičkih prototipova uključuju računalne simulacije, matematičke jednadžbe unutar proračunskih tablica, te računalne modele u 3D geometriji. Na Slici 1.8 prikazan je 3D CAD model automobila koji predstavlja analitički prototip. Drugi kriterij je stupanj do kojeg je prototip sveobuhvatan, za razliku od fokusiranog. Sveobuhvatni prototipovi implementiraju gotovo sve karakteristike krajnjeg proizvoda, te odgovaraju onome što se u svakodnevnoj upotrebi podrazumijeva pod pojmom prototip. Primjer sveobuhvatnog prototipa je onaj koji se daje naručitelju u svrhu otkrivanja svih preostalih nedostataka prije puštanja u proizvodnju. Fokusirani prototipovi sadrže jedno ili više obilježja proizvoda. Primjeri ovakvih prototipa uključuju modele koji se izrađuju radi ispitivanja oblika proizvoda i/ili s ručno ugrađenom elektronikom da bi se ispitao elektronički rad konstrukcije. Na slikama 1.9 i 1.10 su prikazani prototipovi koji se izrađuju u Toyoti pri razvijanju forme (oblika) 31

42 automobila. U razvoju stila vozila, Toyota izrađuje više glinenih modela u razmjeri 1:5 (Slika 1.9) i zadržava najmanje dva modela u stvarnoj veličini paralelno (Slika 1.10). Na Slici 1.11 prikazani su fizički prototip mobilnog robota PackBot tvrtke irobot kao i analitički prototip (3D CAD renderirani model) koji su služili za komunikaciju sa kupcima [1]. Uobičajena praksa je da se koriste dva ili više fokusiranih prototipova zajedno da bi se ispitale sve značajke proizvoda. Jedan od njih je najčešće prototip koji se izrađuje radi izgleda (engl. looks-like prototipovi), a drugi se radi s ciljem ispitivanja funkcionalnosti (engl 'works-like prototipovi). Gradnjom dva fokusirana prototipa razvojni tim je u mogućnosti odgovoriti na pitanja mnogo prije nego s jednim sveobuhvatnim prototipom. Slika 1.8. Oblikovanje CAD modela [36] 32

43 Slika 1.9. Glineni model u razmjeri 1:5 [36] Slika Izrada glinenog modela u stvarnoj veličini [36] 33

44 Slika Fizički prototip (lijevo) i analitički prototip - 3D CAD model (desno) mobilnog robota tvrtke irobot [1] Slika 1.12 prikazuje crtež sa osama koje odgovaraju ovim dvjema dimenzijama [37]. Uprkos tome, prototipovi ponekad mogu sadržavati i analitičke i fizičke elemente, na primjer upravljački sklop (hardver) koji ne upravlja realnim mehanizmima nego računalnom simulacijom. Takav prototip bi bio, na primjer, simulator leta ili simulator vožnje automobila (Slika 1.13). Slika Tipovi prototipa u odnosu na različite dimenzije 34

45 Johansson, Raberg & Killander, [38], definiraju tri tipa prototipa koji mogu poduprijeti proces razvoja proizvoda, a to su: Prototip za vizualizaciju. Koristi se da vizualno dočara proizvod. Različiti zahtjevi prema ovom prototipu mogu biti veličina, estetika, ergonomija i preciznost oblika proizvoda. Kontrolni prototip. Ovaj tip prototipa može se koristiti za testiranje na primjer montaže i dijelova koji će se koristiti tijekom proizvodnje. Ostala područja uporabe mogu biti za testiranje je li određeni prostor dovoljanza neki dio ili podsistem. Procesni prototipovi. Koriste se da bi se pojednostavio proces proizvodnje za kasnije prototipove ili proizvode. Može se koristiti za testiranje alata u proizvodnom pogonu ili različite vrste kalupa koji se namjeravaju koristiti. Gebhardt, [39], navodi da se zahtjevi koji se postavljaju za prototipove razlikuju prema fazama razvoja proizvoda. Definicije se često donose na osnovu planiranog korištenja i za pojedine grane, a to doprinosi velikom broju različitih pojmova i definicija prototipa. On predlaže klasifikaciju za razne vrste prototipova kako slijedi: Proporcionalni prototip bi trebao podržati brzu razmjenu u komunikaciji u vezi namjeravanih svojstava proizvoda i omogućiti brz konsenzus o ideji proizvoda. On bi trebao pokazati vanjski oblik i najvažnije funkcije. Ergonomski prototip je namijenjen za potporu brze odluke o izvedivosti. Može pokazati važne funkcije koje su od određene važnosti. Stilski prototip ima vanjski izgled vrlo sličan stvarnom proizvodu i trebao bi imati kvalitetnu krajnju površinsku obradu. Može omogućiti da, na primjer, kupci daju povratnu informaciju u ranoj fazi razvoja proizvoda. Funkcionalni prototip pokazuje neke ili sve važne funkcije, ali ne nužno s točnim vanjskim oblikom. Primjeri svojstava koja se 35

46 ispituju pomoću ovog prototipa mogu biti sklapanje, održavanje i kinematika. Prototip nalikuje proizvodu mnogo ili jako mnogo. Jedina razlika u odnosu na serijski uzorak može biti na primjer proces proizvodnje. Omogućuje ispitivanje jednog ili više svojstava proizvoda i može omogućiti pripremu za uvođenje na tržište. Slika Boeing 747 simulatori leta [40] 2.3 Ciljevi izrade prototipova Prototipove možemo promatrati kao konkretne predmete same za sebe ili kao važne dijelove procesa razvoja proizvoda. Ako ih promatramo samo kao predmete, onda uspješni prototipovi imaju nekoliko obilježja. Oni pospješuju kreativnost, pomažući razvojnim inženjerima da dođu do ideje i da je generiraju, olakšavaju istraživanje i otkrivanje relevantnih informacija o korisnicima i njihovoj radnoj praksi; potiču komunikaciju, pomažući dizajnerima, inženjerima, menadžerima, programerima softvera, kupcima i korisnicima da raspravljaju o mogućnostima i međusobno djeluju; oni također dopuštaju ranu procjenu jer ih se može ispitivati na različite načine, uključujući i tradicionalne studije upotrebljivosti i neformalne povratne informacije korisnika tijekom procesa dizajna. 36

47 Važno je da inženjeri i stručnjaci za izradu prototipova upoznaju mogućnosti i ograničenja prototipa da bi mogli što vjernije simulirati karakteristike proizvoda kojeg namjeravaju razviti. Ako prototipove promatramo kao važne dijelove procesa razvoja proizvoda, tada im možemo dodijeliti različite uloge, tj. možemo ih promatrati kao alate za: učenje komunikaciju integriranje prekretnice. Da bi prototipovi poslužili kao alati za učenje pri razvoju proizvoda, prikladno je koristiti fokusirane fizičke i analitičke prototipove, kao i sveobuhvatne fizičke. U ovom slučaju prototipovi se najčešće koriste da bi se odgovorilo na pitanje hoće li raditi i koliko dobro će zadovoljiti potrebe kupca. Prototip upotpunjava i potiče na komunikaciju unutar razvojnog tima jer olakšava rasprave o mogućnostima i interakciju između članova tima. Dalje, obogaćuje komunikaciju tima s menadžmentom, dobavljačima, partnerima, kupcima te investitorima. Da bi se unaprijedila komunikacija preporučuje se upotreba obaju tipova fizičkih prototipova, i fokusiranih i sveobuhvatnih. Na Slici 1.9 prikazana je podjela izrade prototipova u tri faze s aspekta komunikacije u poduzeću [41]. Na samom početku projekta radi se mnogo prototipova da bi se dobila inspiracija. Ovdje se prototipovi obično mnogo razlikuju međusobno, jer se istražuju fundamentalno različite varijante dizajna. Kasnije se iteracijski razvija manji broj ideja da bi se riješila konkretna pitanja dizajna. Kroz obje faze se projektne specifikacije izvode iz prototipova. Kako se ide prema kraju projekta rade se precizniji prototipovi da bi se ocijenila specifikacija proizvoda kao cjeline. Haenlein, [41], ističe razliku između prototipova koje koriste razvojni timovi za istraživanje i prototipova koji se kreiraju radi komunikacije s 37

48 vanjskim klijentima i drugim sudionicima u razvojnom procesu. Buxton, [31], naglašava razliku između prototipova koji služe za inspiraciju i onih koji služe za eksperimeniranje, evaluaciju i potvrđivanje, što se slaže s modelom na Slici 1.9. Slika Tri faze izrade prototipa [41] Prototip služi i kao alat za integriranje kada se koristi s ciljem da se provjeri i osigura da dijelovi i podsistemi proizvoda rade kao što je i očekivano. Sveobuhvatni fizički prototipovi su najkorisniji integrirajući alati u razvoju proizvoda, zato što zahtijevaju sklapanje i fizičku povezanost svih dijelova i podsklopova koji čine proizvod. Izrađujući takav prototip članovi razvojnog tima se usmjeravaju na međusobnu koordinaciju. Ako kombinacija bilo koje komponente proizvoda ometa ukupnu funkciju proizvoda, problem se može otkriti kroz fizičko integriranje u sveobuhvatni prototip. Česta imena za ove sveobuhvatne fizičke prototipove su alfa, beta, ili tvornički prototipovi. Takva dva prototipa PackBota su prikazana na Sl U alfa prototipu, radio uređaji su vidljivi u centru robota. U beta prototipu, radio uređaji su integrirani u tijelo radi zaštite od oštećivanja. Opsežna ispitivanja alfa prototipa su pomogla da se definira nekoliko poboljšanja na sistemu za 38

49 praćenje, koji je rekonstruiran prije izrade beta prototipa. Daljnja ispitivanja beta prototipa su uključivala širok spektar terenskih uvjeta, kao što su blato, pijesak, voda i sl. [1]. Slika Alfa (lijevo) i beta (desno) prototipovi PackBot-a [1] Mnoge tvrtke koriste prototipove da bi integrirali aktivnosti nekoliko programera softvera. U Microsoftu se, na primjer, nove verzije projekta sastavljaju na kraju svakog radnog dana. Posljednja verzija softvera se na kraju dana testira i koriste je svi članovi tima, tako da ova praksa u Microsoftu svakodnevno kreira sveobuhvatne prototipove, te osigurava da dostavljači budu uvijek sinkronizirani i integrirani [1]. Prototipovi u ulozi alata za prekretnice pokazuju progres i napredak, te nameću raspored. Naročito u posljednjim fazama razvoja proizvoda, prototipovi se koriste kao dokaz da je proizvod postigao željenu razinu funkcionalnosti. Menadžment ponekad zahtijeva prototip koji će demonstrirati određene funkcije proizvoda prije nego proizvod bude pušten u proizvodnju. U ovoj ulozi mogu se koristiti svi navedeni tipovi prototipova, a kao najprikladniji su se pokazali fizički sveobuhvatni. Slike prikazuju primjere različitih vrsta prototipova koji su korišteni pri istraživanju i razvoju nove natkoljenične hidraulički pogonjene proteze na Fakultetu strojarstva i računarstva Sveučilišta u Mostaru. Nedostatak koljena kod natkoljenično amputiranih osoba, pored gubitka stopala i nedostatka velikog broja mišića koji su potrebni, 39

50 predstavlja najveći problem pri penjanju stepenicama. Iz prakse je poznato da osobe s amputacijama ispod koljena (slučajevi i jednostrane i obostrane amputacije) pri korištenju potkoljenih proteza imaju prirodniji, laganiji hod i da se mogu penjati i spuštati stepenicama. Suvremene natkoljenične proteze (mikroprocesorski upravljane, s hidrauličnim pogonom u spoju koljena itd.) omogućavaju amputiranim osobama hodanje kako po ravnom tako i po nagnutom terenu, pa čak i silazak niz stepenice i vožnju bicikla. Međutim, penjanje uz stepenice koje bi po svojoj kinematici bilo slično penjanju neamputiranih osoba i dan-danas predstavlja problem. Problem penjanja uz stepenice natkoljeničnom protezom nije potpuno neriješen, jer su istraživači zadnjih desetak godina uspjeli razviti natkoljenične proteze kojima se može penjati uz stepenice, ali su one još u fazi ispitivanja i nisu komercijalne. Jedan od takvih primjera je proteza razvijena u 8 milijuna dolara vrijednom projektu u SAD-u koji financira U.S. Department of Defense i uključuje Vanderbilt University, the Massachusetts Institute of Technology, the University of Rhode Island and the University of New Brunswick. Na Slici 1.16 prikazan je sveobuhvatni fizički prototip te prve neuro-kontrolirane bioničke noge. Da bi se korištenjem natkoljenične proteze tijelo amputirane osobe podiglo pri penjanju na stepenicama neophodno je uvesti energiju iz nekog vanjskog izvora. Ovaj pristup se dugo isključivao zbog pretpostavke da će biti potrebni robusni vanjski izvori energije koji će biti neprihvatljivi za korisnika. Odatle je proistekao cilj istraživanja na Fakultetu strojarstva i računarstva Sveučilišta u Mostaru. Započet je projekt mehanizacije natkoljenične proteze. Osnovna ideja ovog istraživačkog projekta je da se u natkoljeničnu protezu ugrade hidraulični linearni pokretači koji će, koristeći energiju iz vanjskog izvora, moći podizati amputiranu osobu prilikom penjanja uz stepenice. Urađena su obimna teoretska istraživanja i kasnije eksperimentalna istraživanja na prototipovima i amputiranoj osobi. Važno je naglasiti da se u ovoj fazi razvoja vanjski pogonjene proteze osoba nije penjala uz stepenice, nego se podizala na jednu stepenicu. Iz provedene analize penjanja amputiranog ispitanika s vanjski pogonjenom natkoljeničnom protezom, došlo se do zaključka da se za ovakav model penjanja može koristiti hidraulična instalacija s nazivnim tlakom od 100x10 5 Pa [43]. Ovaj podatak dao je osnove za definiranje 40

51 pogonske jedinice koja po svojoj težini i gabaritima ne bi narušavala osjećaj udobnosti korisnika proteze. Ova pogonska jedinica u početku ne bi bila sastavni dio proteze, već bi je korisnik nosio (npr. na leđima). Razvojem i optimizacijom hidraulične instalacije, postoji mogućnost ugradnje ovakve pogonske jedinice u području potkoljenice proteze. Slika Prva neuro-kontrolirana bionička noga [42] U početnoj fazi projekta izradio se matematički model koji se koristio za statičku analizu i proračun (Slika 1.17 a). Ovaj prototip može se kvalificirati kao fokusirani analitički prototip analitički zbog svojeg nematerijalnog oblika a fokusirani jer je rađen radi izračuna maksimalnih sila i momenata koji se dešavaju u spoju koljena pri penjanju uz stepenice, što predstavlja samo jedan aspekt (fokus) natkoljenične proteze. Ukoliko se razmatra uloga ovog prototipa, on bi se mogao svrstati u alate za učenje jer je poslužio za definiranje osnovnih statičkih veličina. Na osnovu izračuna proisteklih iz ovog analitičkog prototipa bilo je moguće dizajnirati novi analitički opet fokusirani prototip (Slika 1.17 b). 41

52 Osnovna namjena ovog prototipa je opet učenje, mada bi mogla biti i integracija jer je poslužio za definiranje optimalnog položaja hidrauličkog cilindra u spoju koljena natkoljenične proteze. a) b) Slika Analitički fokusirani prototipovi [44] Izračuni dobiveni korištenjem prethodnih analitičkih prototipova poslužili su za kreiranje fizičkog fokusiranog prototipa prikazanog na Slici Ovaj prototip se koristio za eksperimentalna ispitivanja s ciljem provjere nosivosti hidrauličnog cilindra i integracije s ostalim komponentama proteze. Eksperiment je pokazao da je hidraulični cilindar siguran za korištenje na amputiranom ispitaniku, što je bio cilj narednih ispitivanja. Dakle, ovaj prototip je bio koristan kao alat za učenje ('može izdržati zadano opterećenje') i integraciju ('komponente rade zajedno'). Dalje se može konstatirati da je ovaj prototip poslužio i kao prekretnica u istraživanju, pošto je pokazao da se može koristiti hidraulični cilindar u koljenu za pogon natkoljenične proteze pri penjanju na stepenicama, i da se može nastaviti sa sljedećom fazom projekta. 42

53 Slika Fokusirani fizički prototip natkoljenične proteze (gore) i mjerna ispitna oprema (dolje). 1- pogonski uređaj, 2- sučelje, 3- računalo [44] Nakon ispitivanja ovog prototipa odlučeno je da se sklopi cijela natkoljenična proteza (Slika 1.19a) i da se uradi eksperiment na ispitaniku (Slika 1.19b). Proteza sa hidrauličkim sistemom u ovoj fazi istraživanja može se promatrati kao fokusirani fizički prototip nove natkoljenične hidraulički pogonjene proteze. 43

54 a) b) Slika Sveobuhvatni fizički prototip nove natkoljenične hidraulički pogonjene proteze (a), prototip na ispitaniku (b) [43] Prilikom istraživanja primjećeno je da analitički prototipovi mogu biti od velike pomoći pri integraciji. Oni pomažu pri provjeri geometrije, oblika, sklopa, kinematike i to prije nego što se dijelovi pošalju na izradu za testiranje, izbjegavajući tako nepotrebne troškove proizvodnje. Ovo ističe važnost kompjuterskih 3D modela natkoljenične proteze koji omogućuju različite vrste analiza čime se omogućuje detaljna provjera dizajna prije no što počne skupa izrada pojedinačnih dijelova proteze. Na Slici 1.20 prikazan je kompojuterski 3D model koji je omogućio izradu fizičkog prototipa protetskog stopala i pilona kao i integraciju hidrauličnog aktuatora u gležnju proteze. Sveobuhvatni analitički prototipovi općenito nisu izvedivi [1]. Međutim, ako se promatra iz ugla dizajnera, posebno u polju animacije video-igara i 3D grafičkog dizajna, 3D modeli bi mogli predstavljati finalne proizvode. Iako dizajner u strojarstvu može raditi različite analize na sveobuhvatno 44

55 dizajniranom 3D kompjuterskom modelu (uklapanje, tehnologičnost, oblik i stil, kinematika, analiza metodom konačnih elemenata, toplinska naprezanja, udarni testovi itd.) još uvijek su testiranja i analize neizostavni na stvarnim fizičkim objektima (prototipovima) prije nego što se donese odluka za proizvodnju. a) b) Slika Kompjuterski 3D model proteze (a), fizički fokusirani prototip proteze (b) [45] Na Slici 1.21 prikazane su različite vrste prototipova protetskog stopala koji se razvija za novu protezu. Trenutna istraživanja usmjerena su na dizajn protetskog stopala koje bi imalo mogućnost savijanja u prednjem dijelu. Naime, prethodna biomehanička ispitivanja gibanja prototipova natkoljenične proteze ukazala su na potrebu novog dizajna stopala da bi se poboljšalo kretanje amputiranih osoba i dobilo prirodnije kretanje uz stepenice. Razvoj koncepta stopala prošao je kroz veliki broj transformacija i iteracija, i korištenje velikog broja prototipova, od prvih varijanti (a,b) postepeno uvodeći različite faktore koji su utjecali na dizajn. Imajući u vidu cilj da protetsko stopalo mora imati oblik ljudskog da bi 45

56 moglo stati u standardnu obuću, kreirana je maska stopala (c), dok je nosiva konstrukcija stopala od metala (d). Gumena podloga (e) ima za cilj amortizaciju udara stopala. Kompjuterski 3D model (f) koristio se za brzu izradu prototipa da bi se dobio prvi fizički fokusirani prototip protetskog stopala u razvoju nove hidrauličke proteze. Ovaj prototip se koristio za prezentaciju i bio bitan komunikacijski alat. Ovaj prototip je imao integracijsku ulogu budući da se nakon njegove izrade otkrila greška u dizajnu maske. Ovo podupire tvrdnju da su fizički prototipovi važni u integraciji, bez obzira na sve dobre strane kompjuterskih modela. Prototip protetskog stopala se može promatrati kao fokusirani prototip, pošto je dio sveobuhvatne natkoljenične proteze (Slika 1.22). Međutim, u komercijalnoj praksi protetska stopala mogu se razmatrati kao zasebni proizvodi pa bi se u tom slučaju i ovi prototipovi mogli smatrati sveobuhvatnim. Na Slici 1.20 prikazan je fizički fokusirani prototip natkoljenične proteze s integriranim pokretačima u koljenu i gležnju koji će služiti za eksperimentalno istraživanje kinematike i dinamike kretanja natkoljenično amputirane osobe pri penjanju na stepenicama. Na prototipu ove proteze integrirano je i novo protetsko stopalo s pasivnim savijanjem u prednjem dijelu koje će poslužiti za eksperimentano ispitivanje kretanja amputirane osobe na stepenicama. Cilj eksperimenta je dokazati da se amputirana osoba sa ovim tipom proteze može na lakši i prirodniji način penjati uz stepenice. Slika Primjeri prototipa protetskog stopala za natkoljeničnu protezu [45] 46

57 a) b) Slika Kompjuterski 3D model stopala proteze (a), fizički fokusirani prototip stopala proteze (b) [45] 2.4 Prototipovi u interaktivnom dizajnu Danas velik dio proizvoda na tržištu čine složeni sofisticirani mehatronički sistemi (računala, mobiteli, automobili, itd.). Ovi proizvodi se nalaze u multidisciplinarnom području koje kombinira elemente znanosti, inženjerstva i dizajna. Imajući ovo u vidu, možemo analizirati prototipove i postupke izrade prototipova prema još dva kriterija, a to su interakcija i evolucija [46, 47]. Interakcija Velik broj proizvoda koji se danas razvijaju imaju karakteristiku interaktivnosti, korisnici i reagiraju na njih i djeluju na njih (mobiteli, računala, daljinski uređaji, aparati za kavu, bankomati, printeri, ipod, kalkulatori, GPS, DVD, kompjuterske igre, itd). Problem je u tome da je kvaliteta interakcije tijesno vezana za krajnjeg korisnika i detaljno poznavanje njegove radne prakse. Na primjer, digitalni fotoaparat 47

58 dizajniran za profesionalnog fotografa zahtijeva različit dizajn interakcije nego onaj dizajnitran za fotografa amatera, iako navodno služe za iste svrhe odnosno izvršavaju iste funkcije. Glavni cilj interaktivnog dizajna je smanjiti negativne aspekte (frustraciju, ljutnju, nerviranje) korisničkog iskustva pri čemu se povećavaju pozitivni (uživanje, zadovoljstvo). U biti, radi se o razvoju interaktivnih proizvoda koji su laki, efikasni i ugodni za korištenje iz perspektive korisnika. Konstruktori moraju prilikom dizajniranja detalja interakcije uzeti u obzir način upotrebe. Postoji mnogo načina dizajniranja kako korisnici mogu biti u interakciji sa sistemima, na primjer preko menija, komandi, ikona, gesta, itd. Danas su korisnička sučelja za svakodnevne potrošačke predmete (kamera, mikrovalna pećnica, perilica rublja, itd.) većinom digitalna, zahtijevajući interakcijski dizajn (tzv. potrošačka elektronika). Kritična uloga prototipa jednog interaktivnog sistema je da ilustrira kako će korisnik biti u interakciji sa proizvodom. Prototipovi mogu podržati različite razine interakcije, pa ih na osnovu toga dijelimo na: pasivne, i interaktivne. Prototipovi kao što su video klipovi ili kompjuterske animacije nisu interaktivni, nema interakcije sa korisnikom. Takve prototipove možemo nazvati pasivnim. Pasivni prototipovi jednostavno ilustriraju kako bi interakcija mogla izgledati. Oni osiguravaju dizajnerima i korisnicima iskustvo kako bi interakcija mogla izgledati, ali samo u prethodno definiranim situacijama. Postoje prototipovi koji podržavaju djelomičnu (ograničenu) interakciju. Krajnji slučaj je kad osoba koja upravlja prototipom može predstavljati budućeg korisnika. Osoba u ulozi korisnika može dobiti osjećaj interakcije. Prototipove koji podržavaju velike skupine interakcija možemo nazvati interaktivnim prototipovima. Takvi prototipovi rade kao stvarni sistemi sa nekim ograničenjima. Obično pokrivaju dio sistema i često imaju 48

59 smanjene performanse u odnosu na krajnji proizvod. Prototipovi mogu, dakle, ilustrirati ili ispitivati različite razine interaktivnosti. Za razliku od njih, pasivni prototipovi dopuštaju dizajnerima da ispitaju širok raspon primjera kako će korisnici biti u interakciji sa sistemom. Evolucija U procesu razvoja proizvoda prototipovi mogu imati različit životni vijek, pa ih na osnovu toga dijelimo na: brze, iterativne, evolucijske. Brzi prototipovi su stvoreni za određenu namjenu, a zatim se odbacuju. Iterativni prototipovi evoluiraju, bilo za riješiti neke detalje (povećanje njihove preciznosti) ili istraživati različite alternative. Evolucijski prototipovi se dizajniraju kako bi postali dio konačnog sistema. Brzi prototipovi su važni naročito u ranim fazama razvoja proizvoda. Oni bi trebali biti jeftini i lagani za izraditi, pošto je cilj brzo ispitati moguće tipove interakcije a onda odbaciti. Iterativni prototipovi se razvijaju kao refleksija dizajna u tijeku, s eksplicitnim ciljem da se razvija (evoluira) kroz nekoliko iteracija dizajna. Dizajniranje prototipova koji podržavaju evoluciju je ponekad težak posao. Svaka iteracija daje informacije o nekom aspektu dizajna. Neke iteracije istražuju različite varijacije iste teme. Evolucijski prototipovi su poseban slučaj iterativnih prototipova kod kojih iterativni prototip evoluira u dio ili cijeli konačni sistem. Očito se to odnosi samo na softverske prototipove. Beck, [48], zagovara takav pristup, čvrstu vezu dizajna i provedbe i gradnju sistema kroz stalni razvoj (evoluciju) njegovih komponenti. Evolucijski prototipovi zahtijevaju više planiranja i prakse od navedenih pristupa jer su ti prototipovi i reprezentacije konačnog sistema i sam konačni sistem, čineći težim istraživanje alternativa dizajna. Kod interaktivnih proizvoda preporučava 49

60 se kombinirani pristup, početi sa brzim prototipovima, a zatim koristiti iterativne ili evolucijske prema potrebama razvojnog projekta. 2.5 Prototipovi u fazama razvoja proizvoda Prototipovi se mogu koristiti u različitim fazama procesa razvoja proizvoda ovisno o ciljevima izrade prototipa. Za različite ciljeve mogu se koristiti različite tehnike izrade u različitim fazama. Prototipovi imaju važnu ulogu u ispitivanju dizajna i stoga i u progresu cijelog razvojnog projekta. Zbog toga je od velikog značaja kako poduzeće povezuje korištenje prototipova s procesom razvoja proizvoda [22]. Pošto različiti autori različito dijele proces razvoja proizvoda na faze, ovdje se razmatra primjena prototipova u tri općenite faze koje se mogu primijeniti u svakom slučaju. Razvoj koncepta Početak konceptualne faze činiti će izrada modela različitih konceptualnih varijanti [22]. Barkan i Iansiti, [51], navode da se u fazi istraživanja i razvoja (R&D fazi koja obično prethodi konceptualnoj fazi) brzo učenje može postići kroz seriju brzo proizvedenih prototipova podsistema i komponenti. Fokus se stavlja na vrijeme i troškove, a manje na to koliko je vjerna izvedba prototipa u odnosu na proizvodni proces. Prema Gebhardtu, [49], prototipovi koj se koriste tijekom ove faze trebaju podržati brzu odluku o izvedivosti tj. da li proizvod treba i je li ga moguće razviti. Prvi prototip treba razviti na kraju ove faze kako bi se provjerile kritične funkcije [50]. Liou, [52], navodi da su prototipovi koji se koriste u ranoj fazi razvoja proizvoda sa svojom jednostavnosti korisni kada je riječ o dobivanju povratnih informacija od različitih interesnih skupina. Kada su prototipovi jednostavniji, više je vjerojatno da će se povratne informacije ispitanika odnositi na sami koncept (principsko rješenje) umjesto na detalje kao što su izbor materijala ili završna obrada. Detaljni dizajn Tijekom ove faze prototip bi trebao biti u stanju pokazati funkciju potrebnu za ispunjavanje zahtjeva izvedbe za proizvod [22]. Gebhardt, 50

61 [49], navodi da se trebaju koristiti prototipovi koji pokazuju neke ili sve važne funkcije proizvoda. Usporedo s tim prototipovima mogu se koristiti 'stilski modeli' koji imaju vanjski izgled vrlo sličan stvarnom proizvodu. Prema Barkanu i Iansitiu, [51], prototipove treba koristiti za rješavanje relativno detaljnih pitanja u vezi npr. konfiguracije i kompatibilnosti. Priprema za proizvodnju Kada proces razvoja proizvoda dosegne ovu kasnu fazu, prototip bi trebao nalikovati na pravi proizvod i preostala razina nesigurnosti bi morala biti niska [51]. Prototip ne samo da treba provjeriti reakciju kupaca, nego i proći testove vezane za mogućnosti ispitivanja i proizvodnje [22]. Bean i Radford, [26], tvrde da prototipovi u ovoj fazi uvijek mogu dobro predvidjeti vrhunsku kvalitetu proizvoda, neovisno o tome koje dimenzije kvalitete se zahtijevaju. 2.6 Principi kreiranja i izrade prototipa Liou, [52], zagovara da prototipovi imaju minimalistički pristup: "Dobar prototip služi svojoj svrsi kao osnov istraživanja i interaktivne spoznaje, i jednostavan je za izradu. To znači da bi trebao imati svojstva potrebna za svoju namjenu, i što je moguće manje drugih svojstava. To također znači da relevantnost uvijek ovisi o tome za što će se konkretno prototip koristiti; to određuje koja svojstva treba imati'. Nekoliko principa su korisni pri donošenju odluka za izradu prototipova tijekom razvoja proizvoda. Ovi principi potpomažu odluke o tipu prototipa kojeg bi trebalo izraditi kao i o tome kako uvesti prototip u projektni plan razvoja. Analitički prototipovi su općenito fleksibilniji od fizičkih prototipova Budući da je analitički prototip matematička ili računalna aproksimacija proizvoda, on će generalno sadržavati parametre koji će se moći mijenjati s ciljem da se dobije što više alternativnih rješenja dizajna. U većini slučajeva je mnogo lakše promijeniti neki parametar u analitičkom prototipu nego mijenjati karakteristike fizičkog prototipa. Također, 51

62 analitički prototip dopušta veće promjene od onih koje bi mogle biti napravljene u fizičkom prototipu. Stoga se nameće zaključak da je prikladno da analitički prototipovi prethode izradi fizičkih prototipova. Fizički prototipovi služe za otkrivanje nepredviđenih pojava Fizički prototipovi često ukažu na nepredviđene pojave. Oni se koriste za ispitivanje čisto geometrijskih pitanja, te moraju imati toplinska i optička svojstva. Neka od slučajnih svojstava fizičkog prototipa su irelevantna prema krajnjem proizvodu a ponašaju se kao smetnje prilikom testiranja. Bilo kako bilo, neka od slučajnih svojstava će se manifestirati u krajnjem proizvodu. U ovakvim slučajevima, fizički prototip može poslužiti kao alat za otkrivanje nepredviđenih i štetnih pojava, koje bi se mogle povećati na kraju. Prototipovi mogu smanjiti rizik od skupog ponavljanja Slika 1.17 [1] ilustrira ulogu rizika i iteracija u razvijanju proizvoda. Vrijeme koje se utroši na izradu i ispitivanje prototipa može pomoći razvojnom timu da otkrije problem koji inače ne bi otkrio sve do kasnijih skupih razvojnih aktivnosti, kao što je izrada kalupa. U mnogim slučajevima, izlazni test može diktirati da li će razvojni zadatak morati ponavljati. Predviđene prednosti prototipa u smanjenju rizika moraju biti povezane s vremenom i troškovima koji su potrebni za izradu i ispitivanje prototipa. Ovo je naročito važno za sveobuhvatne prototipove. Slika Uloga prototipova u smanjenju iteracija u razvojnom procesu [1] 52

63 Proizvodi koji su visokorizični ili nesigurni, zbog skupih grešaka, nove tehnologije, ili revolucionarne prirode proizvoda, biti će u prednosti. S druge strane, za proizvode na kojima pogreške nisu toliko skupe smanjuju se potrebe izrade prototipova. Mnogi proizvodi se nalaze između ovih dviju krajnosti. Na Slici 1.24 prikazana je upotreba sveobuhvatnih prototipova koja ovisi o visini tehničkog i tržišnog rizika kao i cijene izrade sveobuhvatnog prototipa. Slika Izrada sveubuhvatnih prototipova ovisi o tehničkim ili tržišnim rizicima [1] Prototip može ubrzati druge razvojne korake Ponekad dodatak kratke faze izrade prototipa može omogućiti da sljedeća aktivnost bude mnogo brže završena. Ako je dodatno vrijeme koje je potrebno za fazu izrade prototipa manje od uštede u trajanju 53

64 sljedeće aktivnosti onda je ova strategija prikladna. Dobar primjer u ovoj situaciji je dizajniranje kalupa, kao što je prikazano na Slici Naime, postojanje fizičkog modela za geometrijski kompleksne dijelove dopušta dizajneru da kalupe brže vizualizira i dizajnira alate za kalup. Slika Uloga prototipa u skraćenju procesa razvoja [1] Prototip može restrukturirati ovisnosti zadataka Na vrhu Slike prikazani su zadaci koji su završeni sekvencijalno. To bi možda bilo moguće završiti brže i kvalitetnije nekim od istovremenih zadataka korištenjem prototipova (donji dio slike). 54

65 Slika Istovremeno rješavanje zadataka korištenjem prototipova [1] 2.7 Poboljšanje uporabe prototipova U tradicionalnom obliku, izradu prototipova tehnički pokreću različite funkcije u različitim fazama razvoja proizvoda. Fokus je primarno na evaluaciji i verifikaciji sistema, podsistema ili komponenti. Wheelwright i Clark, [22], navode četiri "najbolje prakse" koje se mogu primijeniti na bilo koje poduzeće i razvojni proces i koje mogu poboljšati način rada koji se provodi u sklopu razvoja prototipova: Niskobudžetni prototipovi Napredovanje u izradi prototipova od jednostavnijih, rano u procesu razvoja proizvoda, do naprednih i složenih na kraju procesa čini se prirodnim. Tradicionalno, kako prototipovi postaju napredniji tako njihova reprezentativnost raste. Wheelwright i Clark, [22], međutim, ukazuju na značaj poboljšanja ranih prototipova i potrebu ulaganja vremena i napora u povećanje njihove reprezentativnosti. Na ovaj način dobiva se jači doprinos prototipova u procesu razvoja proizvoda. 55

66 Kvaliteta procesa izrade prototipova Tijekom procesa izrade prototipa često se pojavi mnogo jednostavnih ali skupih grešaka, kao što su problem s materijalom ili pogrešno tumačenje crteža. Izbjegavanjem ovih grešaka i povećanjem kvalitete procesa može se pridonijeti poboljšanju pouzdanosti prototipova i njihovog značaja u ulozi alata za učenje razvojnog tima. Isto tako, brza izrada prototipova (rapid prototyping) će doprinijeti poboljšanju kvalitete procesa izrade prototipova. To je posebno korisno kada prototip treba da predstavi trenutna razmišljanja tima u ranim fazama razvoja proizvoda. Barkan i Iansiti, [51], navode da brza izrada mnogih prototipova rano u procesu razvoja doprinosi da se problemi brzo prepoznaju i riješe. Vrijeme i slijed Iz iskustva mnogih tvrtki preporuka je da se ciklusi izrade pojedinih prototipova ne bi smjeli preklapati. U slučajevima kada se preklapaju, ljudi primjerice lakše izgube pojam o statusu projekta i o tome koji su problemi riješeni a koji ne. Ovo je najvažnije tijekom faze detaljnog dizajna [51]. Gradnja znanja Sistematskim proučavanjem različitih problema koji se javljaju u svakom ciklusu izrade prototipova, može se doprinijeti boljem planiranju ovih ciklusa u budućnosti. Prikupljanjem i povećavanjem znanja i informacija o procesu izrade prototipova, brzina, kvaliteta i učinkovitost procesa izrade prototipova može se povećati. Bean i Radford, [26], navode da je uspjeh procesa razvoja prototipa uvjetovan organizacijom i koordinacijom, te da je učenje o samom procesu veoma važno. Barkan i Iansiti, [51], su definirali određene obrasce kako koristiti prototipove na najučinkovitiji način pri razvoju proizvoda. Neki od njih su navedeni u nastavku: 1. Inovacije trebaju biti usmjerene u područjima gdje su izvori rizika i neizvjesnosti poznati. 56

67 2. Kada se namjeravaju razvijati proizvodi koji sadrže nove i nepoznate tehnologije, rizik se može smanjiti uporabom ranih, čestih i brzih prototipova. 3. Pogreške se traže i pronalaze što je moguće ranije u procesu razvoja proizvoda. 4. Prototipovi se koriste u ranim fazama da bi se utvrditi neočekivani problemi na razini sistema koji dolaze iz interakcije između različitih podsistema. Osim toga oni se koriste da bi unakrsno-funkcionalni timovi integrirali aktivnosti vezane za različite dijelove. 5. Prototip cijelog sistema, sveobuhvatni fizički prototip, bi se trebao koristiti za potvrdu dizajna, a ne za otkrivanje još neotkrivenih problema. 2.8 Planiranje za prototipove Iako korištenje prototipova unutar procesa razvoja proizvoda ima brojne prednosti, neprimjereno korištenje prototipova može nanijeti štetu procesu razvoja umjesto da ga unaprijedi. Najčešće greške koje mogu nastati pri korištenju prototipova u razvojnim procesima su sljedeće [37]: Tim se prerano opredijeli za određeni dizajn Radne karakteristike prototipa pogrešno navode kupca Korištenje materijala koji ne odražavaju finalni proizvod dovodi do pogrešnih podataka o izvedbi Vrijeme za izradu prototipa daje pogrešan uvid o tome koliko će vremena biti potrebno da se proizvede finalni proizvod. Potencijalnu zamku u razvoju proizvoda moglo bi predstavljati pogrešno korištenje prototipova na način da se previše njih izrađuje, ispituje, otklanjaju se greške na njima, a da se pri tome ne pridonosi bitno postizanju ciljeva sveobuhvatnog razvojnog projekta. Jedan način da se izbjegnu ovi problemi je da se svaki prototip pažljivo definira prije nego se krene ka njegovoj izradi i testiranju. 57

68 Da bi se osiguralo da prototipovi doprinesu ciljevima razvoja proizvoda, korisno je definirati metodu za planiranje svakog prototipa tijekom razvojnog projekta. Metoda je korisna za sve vrste prototipova: fokusiranih, sveobuhvatnih, fizičkih i analitičkih, a može se generalno podijeliti na četiri koraka: Prvi korak: definirati namjenu prototipa Važno je definirati namjenu prototipa i objasniti zašto se prototip treba raditi. Tim zapisuje specifične potrebe što komunikacijske što za učenje. Članovi tima također zapisuju bilo kakve potrebe za integracijom i da li je prototip zamišljen kao sveobuhvatna prekretnica projekta ili ne. Drugi korak: Utvrditi stupanj aproksimacije prototipa Planiranje prototipa zahtijeva definiranje stupnja pri kojem će se konačni proizvod aproksimirati. Tim bi trebao odlučiti da li bi bilo bolje izraditi fizički prototip ili odraditi analitički prototip. U većini slučajeva, najbolji prototip je onaj najjednostavniji koji će poslužiti u ispunjavanju zahtjeva definiranim u prvom koraku. U nekim slučajevima se modificira neki raniji model proizvoda u svrhu stvaranja prototipa, a u nekim slučajevima se iskorištava već korišteni prototip koji bi mogao u trenutnoj izgradnji ispuniti potrebe (evolucijski prototipovi). Treći korak: Izraditi plan eksperimenta Većinom se upotreba prototipova pri razvoju proizvoda može nazvati i eksperimentom. Dobra eksperimentalna vještina pomaže pri maksimalnom iskorištavanju napora uloženog u prototip. Plan eksperimentalni se sastoji od određivanja varijabli eksperimenta, testnog protokola, indikacija koja mjerenja se izvode i plana za analizu rezultata. Kada se moraju istražiti mnoge varijable, efikasan dizajn eksperimenta uveliko olakšava taj proces. Četvrti korak: Stvoriti raspored za nabavu, konstrukciju i testiranje Zbog činjenice da se konstrukcija i testiranje prototipova mogu smatrati kao podprojekt unutar sveobuhvatnog razvojnog projekta, tim ima koristi 58

69 od rasporeda aktivnosti vezanih za prototip. Tri datuma su posebno važna pri definiranju napora za izgradnju prototipa. Prvo, tim definira kada će dijelovi biti spremni za sklapanje. Drugo, tim definira datum kada će se prototip po prvi puta testirati. Treće, tim definira datum kada očekuje završetak testiranja i konačne rezultate. Planiranje prototipova koji stvaraju prekretnice Navedene metode planiranja prototipova su primjenjive za sve prototipove, uključujući one jednostavne kao prototip geometrije sve do složenih kao što je beta prototip čitavog proizvoda. Ipak, opsežni prototipovi koje timovi koriste za prekretnice u razvoju, profitiraju od dodatnog planiranja. Ta aktivnost planiranja obično se pojavljuje zajedno sa sveobuhvatnim planiranjem razvoja proizvoda na kraju konceptualne razvojne faze. Činjenica je da planiranje datuma prekretnica spada u integralni dio uspostavljanja sveobuhvatnog projektnog plana razvoja proizvoda. U nepromijenjenim uvjetima, tim bi radije stvarao što manje prototipova prekretnica jer dizajn, izrada i testiranje opsežnih prototipova troši mnogo vremena i novca. Kako god, u stvarnosti je malo proizvoda visoke tehnologije koji su razvijeni sa manje od dva prototipa prekretnica i mnogi od njih zahtijevaju četiri pa i više. Kao osnovni slučaj, tim bi trebao razmisliti o korištenju alfa, beta i predprodukcijskih prototipova za prekretnice tj. da li se ijedna od tih prekretnica može eliminirati ili jesu li dodatni prototipovi potrebni. Alfa prototipovi su tipično korišteni da bi se procijenilo da li proizvod radi kao što je zamišljeno. Dijelovi u alfa prototipu su obično slični geometrijski i materijalno onima koji se koriste u konačnoj proizvodnoj verziji proizvoda, ali su većinom izrađeni postupcima za proizvodnju prototipova. Na primjer, plastični dijelovi u alfa prototipovima mogu biti strojno proizvedeni ili lijevani od gume umjesto injekcijski lijevani kako bi to bilo u proizvodnji. Beta prototipovi se obično koriste da bi se procijenila pouzdanost i da bi se otkrile preostale greške u proizvodu. Ti prototipovi se često daju 59

70 korisnicima da bi se koristitli u stvarnom radnom okruženju. Dijelovi beta prototipova su obično izrađeni upotrebom pravog proizvodnog postupka ili dobavljeni od predviđenog dobavljača ali se proizvod obično ne sklapa sa predviđenim finalnim obradama. Na primjer, plastični dio u beta prototipu je možda i proizveden injekcijskim lijevanjem ali će ga prije sastaviti tehničar nego da se sastavlja u proizvodnom pogonu s automatskom opremom. Predprodukcijski prototip je prvi proizvod proizveden u proizvodnom pogonu. U tom trenutku proizvodnja se ne odvija punom parom ali izrađuje ograničene količine proizvoda. Ti prototipovi se koriste da bi se utvrdila proizvodna sposobnost. Podložni su daljnjem ispitivanju i često se dostavljaju željenim kupcima. Predprodukcijski prototipovi se često nazivaju i pilot-proizvodnja. Najučestalija odstupanja od standardnog razvoja prototipova su eliminiranje jednog od standardnih prototipova ili uvođenje dodatnih u ranoj fazi razvoja. Eliminacija prototipa (obično alfa) je moguća ako je jako sličan drugim proizvodima koje je poduzeće već razvijalo i proizvelo ili ako je proizvod jako jednostavan. Prototipovi u ranoj fazi su česti u situacijama kada se stvara novi koncept ili tehnologija. Ovo je slučaj kod razvoja nove natkoljenične proteze, pošto se uvodi sasvim novi princip kretanja proteze. Ti rani prototipovi su katkad nazvani eksperimentalni ili inženjerski prototipovi. Oni obično ne izgledaju kao krajnji proizvod i mnogi dijelovi istog nisu proizvedeni kao kad bi se proizvodili za krajnji, komercijalni proizvod. Jednom kada se donesu odluke o broju potrebnih prototipova, njihovim karakteristikama i vremenima potrebnim za sklapanje i testiranje, tim može postaviti prekretnice na sveobuhvatnu vremensku os projekta. Kada tim pokušava rasporediti te prekretnice stvara mogućnost procjene izvodivosti sveobuhvatnog razvojnog projekta. Često će tim, radeći unatrag od datuma plasiranja proizvoda na tržište, otkriti da se sklapanje i testiranje jednog prototipa prekretnice preklapa ili je opasno blizu dizajnu i proizvodnji sljedećeg prototipa prekretnice. Ako se to preklapanje desi u praksi, predstavljat će najgoru moguću manifestaciju 60

71 poplave prototipova. Kada se faze prototipova preklapaju, malo je vremena za učenje od jednog prototipa do drugoga i tim bi trebao razmisliti o izostavljanju jednog ili više prototipova da bi stvorio preostalim prototipovima više mjesta za raspodjelu u ukupnom raspoloživom vremenu. Tijekom planiranja projekta, faze preklapanja se mogu izbjeći na način da se projekt ranije počne, da se proizvod kasnije plasira na tržište, eliminacijom nekih prototipova prekretnice ili osmišljavanjem načina za ubrzanje aktivnosti prije svakog prototipa. 61

72 3. LITERATURA 1. Ulrich, K. T, Eppinger, S. D., Product design and development, New York, McGraw-Hill., Ljungberg, A., Larsson, E., Processbaserad verksamhetsutveckling, Lund: Studentlitteratur, Slack, N., Chambers, S., Johnston, R., Operations management, Harlow, England: Prentice Hall, Kalman, H. K., Process Mapping: Tools, Techniques, & Critical Success Factors, Performance Improvement Quaterly, , Thomas, R. J., New Product Development, John Wiley & Sons Inc., Kemser, H., Concurrent Engineering Applied to Product Development in Small Companies, Masters Thesis, University of Virginia, Verganti, R., Planned Flexibility: Linking Anticipation and Reaction in Product Development Projects, Journal of Product Innovation Management, 16: Engwall, M., The futile dream of the perfect goal, In Sahlin-Andersson & Söderholm (eds.): Beyond project management, Ullman D.G.: The Mechanical Design Process, ISBN , McGraw-Hill, Bernard, A., Fischer, A., New Trends in Rapid Product Development, CIRP Annals-Manufacturing Technology, , Institute of Defense Analysis, USA, Report R Cleetus, K., Definition of Concurrent Engineering, CERC Technical Report Series, Research Notes, CERC-TR , West Virginia University, Morgantown, W.V., Creese, R. and Moore, L., Cost Modeling for Concurrent Engineering, Cost Engineering. Vol. 32, No. 6, pp , Carlson, S. S., Implementing Concurrent Engineering in Small Companies, Marcel Dekker, Afton, Virginia, Bullinger, H.-J., Warschat, J., Fisher, D., Rapid product development - an overview, Computers in Industry, , Trygg, L., Rapid Prototyping - The Swedish Industry Experience, The International Journal of Human Factors in Manufacturing, , McGrath, M. E., Setting the PACE in product development: a guide to product and cycle time excellence, Butterworth-Heinemann, Mintzberg, H., Structure in fives,

73 19. Linton, L., Hall D., Hutchinson, K., Hoffinan, D., Evancyuk, S. and Sullivan, P., First Principles of Concurrent Engineering: A Competitive Strategy for Product Development, CALS/CE Electronic Systems Working Group Report, National Security Industry Association, Washington, D.C., Prasad B., Concurrent Engineering Fundamentals: Integrated Product and Process Organizations, Vol. 1, ISBN , Prentice Hall, Syan, C., Menon, U., Concurrent Engineering: Concepts, Implementation and Practice, Chapman Hall, Wheelwright, S. C., Clark, K. B., Revolutionizing Product Development, New York: The Free Press Maylor, H., Project Management, Prentice Hall., Wheelwright, S., Clark, K., Leading Product Development: The Senior Manager's Guide to Creating and Shaping the Enterprise, Free Press, New York, Ankarbranth C., Martenson M., Strategy for using Prototypes in the Product Development Process, Master of Science Thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, Bean, R., Radford, R., Powerful products: strategic management of succesful new product development, New York: American Management Association, Rubenowitz, S., Organisationspsykologi och ledarskap. Studentlitteratur, Katzenbach, J., Smith, D., The Wisdom of Teams: Creating the High Performance Organization, Harvard Business School Press, Boston, Stetter, R., Ullman, D., Team Roles in Mechanical Design, Proceedings of the 1996 ASME Design Engineering Technical Conference and Computer in Engineering Conference, 96-DETC/DTM-1508, August 18-22, Irvine, CA, Coger, J., Kanungo R., The Empowerment Process: Integrating Theory and Practice, Academy of Management Review, Vol. 13, pp , Buxton, B., Sketching User Experiences: Getting the Design Right and the Right Design, Morgan Kaufmann, Moggridge, B., Designing Interactions, The MIT Press, Houde, S., Hill, C., What do Prototypes Prototype? In M. Helander, T.K. Landauer and P. Prabhu, eds., Handbook of Human-Computer Interaction, Elsevier Science BV,

74 34. Buchenau, M., Suri, J.F., Experience prototyping, Proceedings of the 3rd conference on Designing interactive systems: processes, practices, methods, and techniques, ACM, , Lim, Y., Stolterman, E., Tenenberg, J., The anatomy of prototypes: Prototypes as filters, prototypes as manifestations of design ideas, ACM Trans. Comput.-Hum. Interact. 15, 2, 1-27., Toyota Motor Corporation, Annual Report 2013, Liou, F. W., Rapid prototyping and engineering applications: a toolbox for prototype development, CRC Press., Johansson, H., Råberg, J.-A., Killander, L. A., Modell och prototypanvändning inom produktutvecklingsprocessen, Västra Frölunda: Sandstens Tryckeri AB Gebhardt, A. Rapid prototyping, Hanser Publishers, Haenlein, H., Personal Communication Vučina, A., Prilog istraživanju kinematike i sila u natkoljeničnoj protezi pri gibanju na stepenicama. Doktorska disertacija. Sveučilište u Mostaru, Huđec, M., Prilog analizi hidrauličnih komponenti za natkoljenične proteze, Magistarski rad, Mašinski fakultet, Univerzitet Džemal Bijedić, Mostar, Rupar, M., Dedic, R., Vucina, A., Dindo, H., Measuring equipment in the research and the development of hydraulic above-knee prosthesis, COMETa 2014, 2 nd International Conference on Mechanical Engineering Technologies and Applications, University of East Sarajevo, 2-5 December, Jahorina, B&H, Mackay, W. E., Fayard, A-L. HCI, Natural Science and Design: A Framework for Triangulation Across Disciplines, Proceedings of ACM DIS '97, Designing Interactive Systems, Amsterdam, Pays-Bas: ACM/SIGCHI, pp , Djkstra-Erikson, E., Mackay, W.E., Arnowitz, J., Trialogue on Design of, ACM/Interactions, pp , Beck, K., Extreme Programming Explained, New York: Addison-Wesley Gebhardt, A., Rapid prototyping, Hanser Publishers,

75 50. Johansson, H., Råberg, J.A., Killander, L. A., Modell och prototypanvändning inom produktutvecklingsprocessen, Västra Frölunda: Sandstens Tryckeri AB., Barkan, P., & Iansiti, M., Prototyping: a tool for Rapid Learning in Product Development, Concurrent Engineering: Research and Applications, , Liou Gedenryd, H., How Designers Work, Lund University,

76 66

77 2 CAD MODELIRANJE, REVERZNO INŽENJERSTVO I ADITIVNE TEHNOLOGIJE PROIZVODNJE Milenko Obad, Sveučilište u Mostaru Fakultet strojarstva i računarstva Suvremene tehnologije razvoja proizvoda podrazumijevaju primjenu informacijskih tehnologija bez kojih je danas nemoguće imati konkurentan proizvod na tržištu. Među najvažnijim od svih informacijskih tehnologija svakako su CAD/CAM tehnologije. Središnje tehnologije su CAD tehnologije koje omogućuju razvoj i kreiranje 3D računalnih modela budućih proizvoda. CAD tehnologije su osnov za sve druge računalne tehnologije i postupke u razvoju i proizvodnji budućih proizvoda. Računala i programska podrška sastavni su dio svih faza u razvoju proizvoda i omogućuju razvoj tzv. digitalnih proizvoda i digitalnu proizvodnju. U ovome dijelu knjige daje se pregled ovih tehnologija kojima se stvaraju računalni (digitalni) modeli proizvoda, a posebno su objašnjene i tehnike reverznog (povratnog) inženjerstva u razvoju proizvoda, tj. stvaranja digitalnih modela već postojećih proizvoda s ciljem njihovih poboljšanja. Metode i tehnike reverznog inženjerstva danas su jako razvijene i omogućuju stvaranje računalnih CAD modela postojećih proizvoda s tržišta u cilju njihovog poboljšanja i razvoja naprednijih proizvoda. Također, u svijetu je danas sve brži razvoj modernih aditivnih tehnologija proizvodnje prototipova, alata i proizvoda. U ovome dijelu knjige dan je i pregled ovih tehnologija. 67

78 1. UVOD Moderne proizvodne tehnologije danas su uglavnom oslonjene na računalnu potporu. Razvijeni su vrlo moćni sustavi za računalnu potporu procesu razvoja, odnosno konstruiranja proizvoda poznati kao CAD (Computer Aided Design) sustavi. Današnji CAD sustavi temelje se na tzv. solid tehnologiji punog ili čvrstog modeliranja, zatim na parametrizaciji i modeliranju sa značajkama što značajno ubrzava postupak modeliranja budućih tehničkih proizvoda. Također, CAD sustavi su temelj za sve ostale korake u razvoju proizvoda, kao što su razne vrste analiza temeljene na različitim numeričkim i drugim analitičkim metodama. CAD modeli su zatim osnov za automatizirano programiranje za proizvodnju na CNC proizvodnim sustavima. Isto tako CAD modeli su i temelj za proizvodnju modernim aditivnim tehnologijama koje zadnjih godina u uporabu u svijetu ulaze brzinom revolucije i iz temelja mijenjaju shvaćanje same proizvodnje. Mnogo je današnjih proizvoda u svijetu koji su razvijeni uz sustavnu pomoć CAD modelera. Međutim, jako je puno postojećih proizvoda koji su razvijeni nekim od tradicionalnih metoda i bez računalne podrške. Takvi proizvodi mogu biti temelj za razvoj novih proizvoda iz raznih razloga. Međutim, njihov ponovni razvoj i proizvodnja danas više nikako ne mogu biti ekonomski isplativi i konkurentni bez modernih računalno temeljenih tehnologija. Posebno je područje znanosti i struke koje se bavi dobivanjem CAD modela postojećih proizvoda i poznato je pod nazivom povratno ili reverzno inženjerstvo. Razvijeno je više metoda reverznog inženjerstva od beskontaktnih metoda 3D skeniranja do kontaktnih metoda uz pomoć tzv. koordinatnih mjernih sustava. Posljednjih godina jako brzo se razvijaju tzv. aditivne tehnologije proizvodnje. Njihov razvitak započeo je prije nekoliko desetljeća po nazivom rapid prototyping tehnologije. S vremenom su evoluirale od tehnologija za proizvodnju prototipova budućih proizvoda do današnjih tehnologija za proizvodnju finalnih proizvoda koji odmah idu na tržište i u uporabu. U tijeku svoga razvitka ove su tehnologije dobivale i različite 68

79 nazive, nekada su bile poznate pod imenom ''proizvodnja čvrstih oblika slobodne forme'', zatim ''računalno automatizirana proizvodnja'' i ''proizvodnja u slojevima''. Danas su sve više prepoznate kao aditivne tehnologije i sve više postaju ključna proizvodna filozofija. Omogućuju vrlo jednostavnu i jeftinu proizvodnju različitih proizvoda, a što je posebno važno, bez ograničenja su kada je u pitanju geometrijska složenost proizvoda. Sve je više kvalitetnih proizvoda na tržištu koji su proizvedeni aditivnim postupcima proizvodnje. Rapid prototyping sustavi ili sustavi aditivne proizvodnje preuzimaju 3D model budućeg proizvoda izravno iz CAD sustava, računalno ga obrađuju i transformiraju u horizontalne slojeve. Nakon toga se vrši njegova proizvodnja proizvodnjom tankih slojeva i njihovim slaganjem jednoga na drugi sve dok proizvod ne bude gotov. Danas je tehnologija brze izrade prototipa dostigla takav stupanj da svako tko posjeduje računalo, odgovarajući računalni program za 3D modeliranje, odgovarajuća znanja iz 3D modeliranja i 3D printer može veoma jednostavno materijalizirati bilo kakvu ideju, dakle proizvesti bilo kakav model proizvoda. Danas su to modeli od "jednostavnih" materijala kao što su gips, papir, razne vrste plastike, metal itd. Dalji razvoj aditivnih tehnologija omogućit će izradu proizvoda iz više materijala istovremeno pa će na taj način biti omogućena izravna proizvodnja čitavih sklopova. Ovaj dio knjige upravo govori o modernim tehnologijama CAD modeliranja tehničkih proizvoda, kako novih, tako i postojećih korištenjem metoda reverznog inženjerstva. U ovome dijelu knjige također su opisane i aditivne tehnologije koje su najprisutnije danas na tržištu. 69

80 2. PROCES RAZVOJA I IZRADE PROIZVODA Postupak proizvodnje modernih tehničkih proizvoda započinje s idejom koja se zatim razrađuje uz pomoć CAD sustava. CAD sustavi daju 3D modele proizvoda koji su potom osnov za bilo kakvu vrstu proizvodnje, bilo da se radi o obradi odvajanjem čestica na CNC strojevima ili nanošenjem slojeva materijala korištenjem rapid prototyping strojeva. U oba slučaja CAD model se koristi kako bi proizvodnja bila pouzdana i konkurentna. Mnogo je proizvoda koji su kopija nekog postojećeg proizvoda koji je već etabliran na tržištu, ali su razvijeni nekim tradicinalnim metodama i za njih ne postoje CAD modeli. Također, mnogo je slučajeva kada se ovakvi proizvodi koriste za stvaranje novih, poboljšanih verzija istog proizvoda. Ponekada je potrebno koristiti neki proizvod od konkurencije, a za njega također nemamo CAD model. Sve su to razlozi za korištenje modernih metoda CAD modeliranje i reverznog inženjerstva što za cilj ima dobivanje CAD modela proizvoda. Često novi proizvod ne počinje s CAD modelom nego je prvo izgrađen njegov prototip, a zatim se u konačnoj verziji snimaju njegove mjere i oblik. Sve je veća primjena CAD modeliranja u medicini gdje se CAD modeli raznih proteza i implantata stvaraju na temelju snimaka računalne tomografije (CT) i magnetne rezonance (MR) ili ultrazvuka. Ovi sustavi daju niz 2D snimaka poprečnih presjeka dijelova tijela. Niz 2D snimaka se zatim koristi za stvaranje 3D prostornih modela što se koristi za proizvodnju, ali i za planiranje operacija. Također, česta je situacija da se određeni dijelovi proizvoda istroše ili da dođe do njihovog loma. Ako nisu dostupni tehnički crteži ili CAD modeli toga dijela potrebno je koristiti metode reverznog inženjerstva i CAD modeliranje kako bi se došlo do CAD modela radi lakše i brže proizvodnje novih, zamjenskih dijelova. 70

81 Dakle, u različitim strukama postoji mnogo slučajeva kada je potrebno proizvesti određene dijelove ili proizvode za koje ne postoji CAD model koji je danas osnov za proizvodnju u svim suvremenim postupcima proizvodnje. Postupak proizvodnje modela proizvoda je u svakom slučaju jednak. Započinje stvaranjem CAD modela proizvoda, nakon čega se proizvodi njegov prototip. Prototip se potom ispituje, popravljaju se pogreške ili se poboljšava čitav model, nakon čega se ide u serijsku proizvodnju. Na sljedećoj slici prikazan je proces suvremenog postupka razvoja i proizvodnje proizvoda, temeljen na računalnim tehnologijama potpore. CAD modeleri CAD model proizvoda Sustavi Reverznog inženjerstva Proizvodnja prototipa Potreban redizajn? Prototip proizvoda Testiranje prototipa Konačni model proizvoda Proizvodnja Slika 2.1. Moderni proces razvoja i proizvodnje proizvoda 71

82 3. CAD SUSTAVI SUSTAVI ZA STVARANJE RAČUNALNIH MODELA PROIZVODA 3.1. Uvod Informacijski sustavi računalne podrške razvoju proizvoda (engl. Computer Aided Design - CAD) u uporabi su već nekoliko desetljeća, a njihov razvoj počinje prije skoro 60 godina. Današnji CAD sustavi svojim su mogućnostima daleko odmakli ovim sustavima iz vremena početaka. Sredinom 80-ih godina prošlog stoljeća pojavljuje se tehnologija tzv. čvrstog (solid) CAD modeliranja, a nakon toga i 3D CAD modeleri s parametarskim načinom modeliranja što omogućuje nagli razvoj računalne podrške skoro svim fazama razvoja proizvoda. Osim solid 3D modeliranja ovi sustavi zapisuju povijest nastanka modela, tj. svaki korak u nastanku modela se zapisuje u tzv. stablo povijesti nastanka modela. Ovakav pristup omogućuje brze izmjene modela u bilo kom trenutku, te više nije potrebna izgradnja ispočetka u slučaju potrebe za bilo kakvom intervencijom na modelu. Puni 3D CAD modeli proizvoda tzv. digitalni modeli danas su temelj za svaku vrstu simulacija, analiza, te posebno proizvodnje na CNC i Rapid Prototyping strojevima. CAD modeli koriste se i za planiranje proizvodnje, kontrolu kvalitete proizvoda te za kompletno praćenje životnog ciklusa proizvoda Područja primjene CAD sustava Klasični CAD sustavi omogućuju primjenu računala i odgovarajućih programskih rješenja u procesu razvoja proizvoda, u pojedinim ili u svim fazama toga procesa. Razlikujemo CAD sustave opće namjene i CAD sustave namijenjene razvoju određene vrste proizvoda. Sadašnji CAD sustavi su moćni sustavi za različite operacije kao što je prikaz 3D modela proizvoda, mogućnost manipuliranja geometrijskim i topološkim informacijama i sl. Omogućuju efikasno kreiranje grafičkih prikaza tijela 72

83 poznate geometrije od kojih se potom slažu elementi i sklopovi. Primjenjuju se za 2D i 3D modeliranja i izradu tehničke dokumentacije. U njihovom sastavu ili kao posebne aplikacije mogu biti i različiti alati za numeričku analizu stanja konstrukcije (analize stanja naprezanja i deformacija, toplinske i druge analize) i generiranje tehnoloških informacija za izradu proizvoda na CNC i Rapid Prototyping strojevima. Prijenos podataka (geometrijski, topološki, numerički podaci) između različitih CAD sustava, aplikacija za inženjerske analize (CAE Computer Aided Engineering) ili aplikacija za podršku proizvodnji (CAM Computer Aided Manufacturing) danas je izvrsno riješen korištenjem standardiziranih datotečnih formata. Klasični CAD sustavi imaju velike mogućnosti podrške inženjerima u razvoju proizvoda u fazi projektiranja i u fazi detaljiziranja, dakle u inženjerskim fazama kada je problem već prilično jasno definiran. Nakon početnih prikupljanja podataka i analize zahtjeva za razvojem novog proizvoda ili zahtjeva za poboljšanjem postojećeg proizvoda, inženjeri imaju zadaću razvijati jedno ili više idejnih rješenja zadanog tehničkog problema. U ovoj fazi inženjer obrađuje različite vrste podataka i informacija i donosi odluke temeljem istih. Ključna pitanja strukture, funkcije, estetike i sl. budućeg proizvoda rješavaju se već u prvoj fazi kada se temeljem različitih stručnih analiza bira najbolje idejno rješenje. Ova je faza procesa konstruiranja zbog same svoje prirode do sada najslabije bila računalno podržana. U novije vrijeme u svijetu su intenzivirana istraživanja s ciljem računalne podrške ovoj fazi. Razvijene aplikacije zbog prirode ove faze uglavnom su temeljene na metodama umjetne inteligencije. Karakteristika je ove faze proces sinteze, koji se koristi kao katalizator za generiranje što više mogućih ideja, što je početni korak u rješavanju problema. Rezultati se stavljaju u tzv. listu ideja, a uglavnom su u pitanju ili skice ili računalni modeli. Nakon faze iznalaženja i odabira idejnog rješenja budućeg tehničkog proizvoda slijedi faza projektiranja. U ovoj fazi vrše se različita 73

84 modeliranje, zatim razne analize i sl. i to sve kroz stalnu vizualizaciju konstrukcije. Računalna podrška ovoj fazi dobro je razvijena i implementirana kroz različite programske aplikacije koje su sastavni dio CAD sustava. Buduće konstrukcijsko rješenje testira se i analizira korištenjem programski implementiranih numeričkih metoda (najčešće korištena metoda je metoda konačnih elemenata MKE) za određivanje stanja naprezanja i deformacija, zatim različite kinematske analize, dinamičke i prostorne analize, ergonomske i ekonomske analize i sl. Faza projektiranja vrlo je ovisna o grafici, vizualizaciji, analizi i komuniciranju o idejama što je dobro razvijeno u klasičnim CAD/CAE sustavima (računalom podržano inženjerstvo, engl. Computer Aided Engineering - CAE). U procesu projektiranja koriste se 3D geometrijski računalni modeli budućeg tehničkog proizvoda, a razvijena snažna računalna podrška raznim analizama i simulacijama ponašanja proizvoda omogućuje značajnu uštedu budući da nekadašnji fizički modeli namijenjeni ispitivanju i testiranju budućeg proizvoda danas više uglavnom nisu potrebni. Računalna simulacija i animacija precizno je modeliranje kompleksnih situacija u kojima će se tehnički proizvod naći. Računalni 3D model koristi se umjesto fizičkog modela za analizu osobina. Osobine materijala pridružuju se računalnom modelu tako da on izgleda kao realni proizvod. Drugo važno područje u fazi projektiranja konstrukcije jesu različite analize stanja konstrukcije. Suvremeni računalni alati omogućuju izvođenje različitih analiza pri čemu se kao model proizvoda koristi isključivo CAD model proizvoda uz dodane granične uvjete kojima se oponaša realno stanje u kojem će se konstrukcija naći i funkcionirati. Više je različitih računalnih analiza od kojih su najvažnije: analiza strukturnih osobina, analiza mehanizama, funkcionalna analiza, ergonomska analiza, estetska analiza, tržišna analiza, financijska analiza i sl. 74

85 Analiza strukturnih osobina ocjenjuje konstrukciju na temelju njezinih fizičkih osobina, kao što su čvrstoća, veličina, volumen, centar gravitacije, težina, centar rotacije kao i termičke, mehaničke i druge osobine. Ova analiza obično se temelji na primjeni numeričkih metoda, najčešće metode konačnih elemenata. Analiza osobina određuje je li proizvod siguran i može li zadovoljiti postavljene zahtjeve u predviđenom periodu uporabe. Modeli se testiraju pod posebnim uvjetima i prikupljene informacije mogu odrediti da li treba vršiti izmjene u konstrukciji. Kod ove vrste analize koristi se CAD model kao polazna osnova. CAD model omogućuje izgradnju zamjenskog, tzv. diskretnog numeričkog modela koji služi za različite proračune. Analiza sklopova i mehanizama koristi se za određivanje korektnosti sklopova komponenti pri čemu u obzir uzima geometriju i odnose sastavnih elemenata. Također je to područje koje obuhvaća analizu kretanja komponenti mehaničkih sustava i elemenata koji su međusobno spojeni raznim tipovima veza. Analiza mehanizama uključuje analizu sklopova, kinematsku i dinamičku analizu i sl. Kinematska i dinamička analiza određuje kretanja sklopova i komponenti s obzirom na dana opterećenja, zatim određuje opterećenja koja upravljaju ili uzrokuju kretanje mehanizama. Ovaj tip analize u CAD sustavima u potpunosti je podržan u formi računalne simulacije. Funkcionalna analiza jest postupak prosuđivanja da li predloženo konstrukcijsko rješenje ispunjava postavljene zahtjeve u funkcionalnom smislu. U ovoj analizi u obzir se uzimaju faktori kao što su cijena, osobine, profitabilnost, sigurnost i ostali faktori na kojima se temelji određivanje valjanosti predloženog konstrukcijskog rješenja. Ergonomska analiza određuje kako dizajn utječe na dimenzije, kretanja, osjećaje i mentalne mogućnosti populacije koja će koristiti proizvod. Estetska analiza jest proces koji ocjenjuje predloženo dizajnersko rješenje proizvoda na estetskoj razini. 75

86 Tržišna analiza obavlja se prije rješavanja konačnog izgleda konstrukcije. Analiza tržišta određuje potrebe i želje korisnika tako da je proizvedeni proizvod ono što su kupci željeli. Financijska analiza određuje raspoloživi kapital za projekt, troškove dizajna, proizvodnje, montaže, marketinga i servisiranja proizvoda. Vizualizacija dizajna jest analitička metoda koja se intenzivno koristi i postala je snažan inženjerski alat zbog naglog razvoja računalne grafike i tehnika tzv. virtualne stvarnosti (engl. Virtual Reality). Grafička analiza jest proces koji se koristi u inženjerskoj analizi da prikaže empirijske podatke u grafičkoj formi. Ova se analiza koristi za provjeru zazora u sklopu, radnih limita pokretnih dijelova i mnogih drugih fizičkih osobina. Tehnički podaci, podaci financijskog i tržišnog karaktera također se grafički prikazuju u formi grafikona i dijagrama da bi se pomoglo dizajnerskom timu u analizi informacija. U prošlosti su se za razna ispitivanja i provjere koristili fizički modeli tzv. prototipi i u slučaju neophodnih izmjena u konstrukciji trebalo je praviti potpuno novi model ili dio modela što je bilo vrlo skupo. Računalni modeli omogućuju ispitivanja i izmjene u dizajnu jednostavnim redefiniranjem računalnih modela što je znatno brži i jeftiniji postupak. U suvremenom inženjerstvu definitivno je potrebno osloniti se na računalne tehnologije u razvoju proizvoda, tzv. CAD tehnologije. CAD sustavi omogućuju stvaranje CAD računalnih modela proizvoda koji se zatim koriste za sve faze razvoja proizvoda, a također i sve postupke proizvodnje. CAD sustavi samo su jedan način kreiranja CAD računalnih modela proizvoda. Vrlo su česte situacije da je potrebno neki već poznati proizvod koji je u uporabi napraviti boljim. To znači da je potrebno napraviti njegov CAD model koji će potom poslužiti za sve dalje inženjerske analize. U pravilu je vrlo teško takve proizvode koristiti da bi se jednostavno dobio njihov CAD model. Iz tog razloga razvijene se brojne metode tzv. reverznog inženjerstva koji omogućuje stvaranje ovih modela. 76

87 Reverzno inženjerstvo jest metoda uzimanja postojećeg proizvoda, njegovo precizno snimanje, zapravo 3D skeniranje geometrije i stavljanje tih informacija u CAD bazu podataka. Mjere se uzimaju korištenjem 3D skenera ili koordinatnih mjernih strojeva. Takav 3D model može biti modificiran i dalje korišten za proizvodnju Moderne tehnologije CAD modeliranja proizvoda Postupak razvoja proizvoda podrazumijeva računalnu podršku u svim fazama. Tehnologije računalne podrške poznate su pod nazivom Computer Aided Tehnologije (CAT). U svijetu je najrašireniji akronim CAD koji dolazi od engleskih riječi Computer Aided Design (računalom podržani dizajn). CAD sustavi računalne podrške razvoju proizvoda obuhvaćaju: hardver (računalo i pripadajuća oprema); softver (računalni program); inženjerska znanja i aktivnosti koje inženjer obavlja u postupku razvoja proizvoda te podatke o samom proizvodu (podaci i struktura podataka koja se kreira i manipulira pomoću softvera). CAD sustavi temelje se na vektorskoj računalnoj grafici, bazama podataka i modernim informacijskim tehnologijama koje omogućuju punu interaktivnost korisnika i računala. U skladu s prethodnim razvijana je i odgovarajuća računalna i programska oprema. Osim ovih osobina u razvoju programske opreme CAD sustava posebno se vodilo računa o korisničkim sučeljima. U različitim CAD sustavima postoje različita korisnička sučelja pa se samim time koriste i različite metode upravljanja programom, različite metode unosa podataka i odabira objekata itd. U klasičnoj korisničkoj interakciji, korisnik unosi podatke i komande koristeći tipke na tipkovnici računala. U sustavima u kojima se koristi interaktivna računalna grafika postoje dodatne aktivnosti: pozicioniranje i lociranje podataka, odabir grafičkih ili drugih objekata na ekranu računala, unos grafičkih i drugih objekata itd. Za ove namjene koriste se tzv. uređaji za unos podataka čiji je zadatak omogućavanje komunikacije korisnika s računalom. Za ovu namjenu u CAD sustavima koriste se miš, svjetlosna olovka, digitajzer, tablet itd. 77

88 Današnji CAD sustavi obično su temeljeni na radnim stanicama ili osobnim računalima s Windows operacijskim sustavom. Znatno su jeftiniji, a hardverski sve više zadovoljavaju tražene potrebe. Podaci se razmjenjuju u mrežnom okruženju s neograničenim prostornim limitima. U razmjeni podataka koristi se internet tehnologija i razvija se tzv. virtualni projektantski ured. Nagli razvoj hardvera u posljednjih par desetljeća doveo je do toga da danas PC temeljeni CAD sustavi za vrlo male novce imaju skoro sve mogućnosti kao nekadašnji skupi mainframe temeljeni CAD sustavi. Razvoj hardwarea ide svakodnevno skoro brzinom revolucije što za posljedicu ima i sve brži razvoj CAD programskih rješenja, koja usput postaju sve jeftinija i dostupnija. U razvoju proizvoda, tj. u njegovom dizajnu potrebno je što vjerodostojnije prikazati njegova svojstva. Iz tog razloga u razvoju CAD sustava razvijane su različite metode grafičkog predstavljanja i modeliranja. U ovom smislu postoji 5 generacija CAD sustava (slika 2.2). U prvoj generaciji CAD sustava, model proizvoda ili objekt modeliranja bio je predstavljen projekcijama svojih ivica na 2D ravnine. Ovo su ujedno i najprimitivniji CAD sustavi iz kojih su uskoro nastale modernije tehnologije prikaza, ali su omogućili izbacivanje crtaćeg stola iz uporabe. U drugoj generaciji CAD sustavi su omogućavali prikaz objekata s ivicama u 3D prostoru. Ova je tehnologija poznata pod nazivom žičano modeliranje (Wire-frame modeling). 78

89 Slika 2.2. Metode CAD modeliranja Bilo je moguće generirati 2D poglede iz bilo koje točke u prostoru. Krupan nedostatak bila je tzv. dvosmislenost i nejasno prikazivanje objekata u prostoru budući da su se vidjele i sve nevidljive ivice na objektu (slika 2.3). Potencijalni promatrač često nije bio u stanju razlikovati pojedinačne dijelove u sklopu s obzirom na krajnje zbunjujuću strukturu uslijed žičanog prikaza. Međutim postoje situacije kada žičani modeli mogu poslužiti korisno jer mogu dati šest osnovnih pogleda istovremeno (projekcije). U trećoj generaciji CAD sustavi su već razvijeni za tehnološki korak dalje. Ovi sustavi omogućuju kreiranje površina u zatvorenim konturama ivica čime je bilo moguće na zgodniji način prikazati površine objekata. Kreiranje površina omogućuje potpuni prikaz 3D objekata modeliranih u prostoru. Ovakav način modeliranja poznat je pod nazivom površinsko modeliranje (Surface modeling, Boundary Representation ili B-Rep). 79

90 Slika 2.3. Dvosmisleni 3D žičani model Slika 2.4. B-Rep 3D model proizvoda [24] 80

91 Zatvorene konture ivica omogućavaju kreiranje ravninskih i prostornih površina. Površine se dalje mogu sastaviti na način da omoguće formiranje zatvorenih volumena čime bi se ograničio trodimenzionalni prostor modeliranog objekta (slika 2.4). B-Rep sistemi se razlikuju od klasičnih površinskih modelera jer se u njihovom slučaju mora osigurati tzv. hermetički zatvoreni volumen. Ovaj pristup omogućen je zahvaljujući istovremenom korištenju geometrijskih i topoloških podataka. Topologija samog objekta modeliranja može se predstaviti strukturom veza vrhova, ivica, površina i volumena. Na objektu na slici 2.5 vrhovi V1 - V4, ivice E1 - E6, površine F1 F4 i volumen A su eksplicitno određeni. Sa slike je vidljivo da su vrhovi, ivice, površine i volumen objekta predstavljeni s odgovarajućom shemom. Shema pokazuje koji vrhovi se koriste kao krajnje točke pojedinih ivica, zatim koje ivice čine konturu unutar koje su kreirane pojedinačne površine i na kraju je i volumen definiran s površinama koje ga omeđuju. Slika 2.5. B-Rep topološka struktura objekta [5] Na ovaj način B-Rep tehnologija CAD modeliranja je otklonila najveći nedostatak tzv. žičanih modela jer su nevidljive ivice postale skrivene i 81

92 modeli se mogu bolje i potpunije vidjeti i razumjeti (slika 2.6). Kao posljedica realnijeg izgleda, s ovakvim pristupom moguće je dobiti fotorealistične slike (Render) danog modela. B-Rep način modeliranja površina objekata omogućio je korištenje 3D modela za NC programiranje i obradu na CNC strojevima. Slika D model dobiven B-Rep tehnikom modeliranja [25] U četvrtoj generaciji CAD sustava objekt se predstavlja s ispunjenim trodimenzionalnim prostorom kojeg geometrijski obuhvaća (Constructive Solid Geometry - CSG). Koristeći se pravilima Boole-ove algebre moguće je odrediti položaj bio koje točke tj. moguće je izračunati nalazi li se točka unutar ili izvan prostora obuhvaćenog tijelom. Objekti se modeliraju kombiniranjem elementarnih 3D oblika (lopta, blok, cilindar, ) i korištenjem Boole-ovih operacija spajanja, oduzimanja i presjeka volumena (engl. Union, Subtract i Intersect). Također je moguće modelirati objekte operacijam izvlačenja profila (engl. Extrude), rotacijom osnosimetrične konture poprečnog presjeka (engl. Revolve), 82

93 kreiranjem modela micanjem profila poprečnog presjeka duž zadane putanje (engl. Sweep) i kreiranjem modela na temelju više profila poprečnih presjeka u paralelnim ravnima (engl. Loft). Ovi objekti su parametrizirani tj. svakoj veličini koja ima utjecaj na konačnu geometriju i oblik dodjeljuje se parametarska vrijednost. Pojedinačne operacije kreiranja osnovnih 3D objekata, zatim njihovog spajanja, oduzimanja ili kreiranja presjeka volumena čuvaju se u tzv. stablu strukture modela koje je sve vrijeme dostupno korisniku. Na ovaj način kronološki se po redu (tzv. ''history based pristup'') bilježe sve operacije koje su dovele do trenutnog izgleda danog modela. Klasična stabla strukture modela iz CSG sustava mogu se shematski predstaviti tzv. transformacijskim čvorovima [5] (slika 2.7). Ovaj način modeliranja omogućuje pridruživanje i nekih drugih informacija samom objektu kao što su npr. materijal, boja, tekstura, specifična masa itd. Kao rezultat pojavljuju se realistične slike budućeg tehničkog proizvoda, njegove masene karakteristike (masa, volumen, težište, momenti inercije i sl.) što su svakako važne podloge za različite proračune u razvoju proizvoda. Međutim, iako je ovo izuzetno moćno svojstvo ipak je to ujedno i jedan od najvećih nedostataka ovih sustava. Pregled stanja na modelu korisniku postaje sve teži kada ''stablo strukture modela'' postaje složenije. Zbog velike složenosti i organizacije same strukture stabla nastavak rada na složenim modelima i sklopovima ponekad zna biti jako otežan. Ovaj koncept parametarskog modeliranja i primjene samog stabla danas koristi većina poznatih CAD solid modelera. Moderni CAD modeleri koriste B-Rep sistem, ali s novim tzv. ''sketch'' pristupom koji omogućuje skiciranje profila i presjeka objekata. Skice 2D profila se zatim koriste za kreiranje 3D modela. Razvijeno je i značajno poboljšano nekoliko ključnih tehnika ili principa 3D modeliranja: izvlačenje (extrude, cut), rotacija (revolve), kreiranje 3D modela micanjem poprečnog presjeka duž zadane putanje (sweep) i kreiranje 3D modela iz više paralelnih poprečnih presjeka (loft) (slika 2.8). 83

94 Slika 2.7. Klasično stablo iz CSG sustava [5] 84

95 Slika D operacije modeliranja: revolve, extrude, loft, sweep [5] Današnji CAD sustavi četvrte generacije su tzv. ''history based'' sustavi jer sadrže čitavu povijest i način kreiranje 3D CAD modela budućeg tehničkog proizvoda. Dok dizajner radi na svom modelu ovakvi CAD sustavi prave stablo povijesti korištenja pojedinih značajki modeliranja (Features) na osnovu kojih je napravljen model. Svaka operacija je jedno svojstvo, jedna značajka. Dodavanje ili oduzimanje bilo kojeg dijela volumena ili bilo koja druga operacija korištena u svrhu izgradnje modela u ovoj tehnologiji jest značajka (engl. Feature). CAD modeleri temeljeni na značajkama omogućuju automatiziranje operacija kao što je kreiranje rupa, zavoja, skošenja, izbočina itd. Iz tog razloga se kaže da moderni CAD sustavi omogućuju 3D modeliranje temeljeno na značajkama (engl. Featurebased). Ova je tehnika solid modeliranja jajo brzo prihvaćena kod modeliranja konstrukcija u strojarstvu ali i u drugim područjima. U programskim aplikacijama ovoga tipa izvedene su gotove rutine za automatizirano kreiranje ovih standardnih geometrijskih oblika pa je dizajneru omogućeno da na vrlo jednostavan način modelira razne oblike. Kada je model već napravljen vrlo je jednostavno napraviti izmjene na 85

96 njemu. To se može napraviti editiranjem upravo one operacije (značajke) koja je korištena za njezino stvaranje. Editiranjem se napravi željena izmjena, odnosno promijeni se željeni parametar (varijabla) koja je povezana s određenim svojstvom. CAD sustavi pete generacije nazivaju se također history-based CAD sustavi jer su u mogućnosti čuvati izvorni korisnički dizajn na način da sustav pamti relacije između objekata i značajki koje dizajner koristi u postupku modeliranja. Dok korisnik modelira objekt, softver izgrađuje značajke stabla povijesti nastanka modela koji zapisuje sve veze i parametre i pohranjuje naredbe kojima je dizajner stvarao model. Stablo vrlo učinkovito služi za bilo kakave izmjene kao i za regeneraciju modela (slika 2.9). Slika 2.9. Prikaz stabla i određenog svojstva koji se nalazi na modelu [26] Softver modernih CAD sustava obuhvaća jedan broj različitih elemenata ili funkcija koje obrađuju podatke pohranjene u CAD bazi na različite načine kao što su: definiranje modela (npr. dodavanje geometrijskih 86

97 elemenata modelu u formi komponenti), manipuliranje modelom (razne operacije editiranja ili druge modifikacije elemenata u konstrukcijskom modelu), generiranje slika (slike konstrukcijskog modela), interakcija s korisnikom itd. Tu su i razne dodatne aplikacije koje se koriste za generiranje informacija za procjenu, analizu i proizvodnju budućeg proizvoda. Baze podataka konstrukcijskih materijala sastavni su dio ovakvih sustava. Upotreba CAD sustava ima za cilj maksimalno moguću automatizaciju procesa konstruiranja kao što je generiranje crteža ili dijagrama, generiranje listi dijelova itd. i osigurava nove tehnike koje daju konstruktoru napredne mogućnosti računalne podrške u procesu konstruiranja. U suvremenim CAD aplikacijama centar svih aktivnosti jest kreiranje centralnog 3D modela budućeg proizvoda kojeg koriste sve računalne aplikacije korištene u procesu konstruiranja, raznih vrsta analiza i proizvodnje. Već je rečeno da moderni CAD modeleri raspolažu s mogućnostima parametarskog modeliranja. Njihova snaga temelji se i na stablu strukture, odnosno stablu povijesti nastanka modela. Ovo stablo zapravo daje kontrolu nad procesom razvoja modela pa je moguće vidjeti kojim redoslijedom je nastao model. Ova tehnologija je jako unaprijedila moderne CAD sustave i predstavlja moćan alat u automatiziranoj izradi jako složenih modela. Određeni nedostatci se javljaju u slučajevima izuzetno složenih i velikih modela kada stablo povijesti nastanka modela postaje komplicirano za snalaženje. Nadolazeća generacija CAD sustava polako postaje poznata pod nazivom izravno modeliranje (engl. direct modeling) ili modeliranje bez stabla povijesti nastanka modela (engl. history free modeling). Sustavi pete generacije više se ne temelje na zapisu povijesti nastanka modela pa je njihovo korištenje znatno olakšano. Modificiranje već postojećeg dizajna se dešava u prolazu (engl. ''on-the-fly'' način rada). Nema više ulaženja u raznorazne skice koje su bile osnov za stvaranje modela i izmjenu pojedinih parametara. Ovi sustavi su veoma lagani za učenje i zahtijevaju minimalno vrijeme za svladavanje i prelazak s nekih ranijih sustava CAD modeliranja. Pojedinačni dijelovi, sklopovi i crteži modela proizvoda 87

98 izrađuju se u jednom zajedničkom radnom prostoru. Modeli se izuzetno brzo mogu pripremiti za različite analize. Ipak još uvijek se jako puno koriste tehnologije iz sustava četvrte generacije u kombinaciji sa tehnologijama iz novijih sustava pa proizvođači CAD softvera korisnicima nude tzv. hibridne sustave koji još uvijek koriste stablo povijesti nastanka modela i dio novih tehnologija iz najmodernijih sustava. Takvi sustavi danas se nazivaju i hibridni sustavi. Sljedeća tablica daje pregled CAD tehnologija koje primjenjuju različiti proizvođači CAD sustava. Tablica 2.1. Pregled tehnologija CAD proizvođača [5] Softver Tehnologija Značajke Siemens NX and SolidEdge Synchronous Technology Hibridni sistem Autodesk Inventor Inventor Fusion Technology Hibridni sistem PTC CoCreate CoCreate Direktno modeliranje Dassault Systemes SolidWorks Dassault Systemes CATIA SolidWorks V6 direct editing Hibridni sistem Hibridni sistem SpaceClaim SpaceClaim Direktno modeliranje Iron CAD Iron CAD Hibridni sistem Iz tablice je vidljivo da su na tržištu zastupljena tek dva potpuno direktno orijentirana softvera. Hibridni sustavi se još uvijek jako puno koriste i jako su uspješni. Tako je npr. Siemens NX 7.5 s tehnologijom Synchronous Technology povezao najbolje osobine između direktnih i 88

99 klasičnih sustava (slika 2.10). Ovim pristupom omogućena je manipulacija s geometrijom na način koji je karakterističan za direktne sustave. Slika Siemens NX Synchronous tehnologija modeliranja [27] Karakteristična značajka svih CAD sustava četvrte generacije sa klasičnim stablom je bila potreba regeneracije tj. svaki puta kada bi se dodalo neko svojstvo u zapis stabla, procesor bi morao preračunavati novi izgled modela što je poznato kao regeneriranje. Kod direktnih sustva, a sada već i kod nekih hibridnih to više nije slučaj. Autodesk također razvija svoj hibridni sustav poznat pod nazivom ''Inventor Fusion'' (slika 2.11). Inventor kombinira stablo povijesti nastanka modela s direktnim modeliranjem putem funkcije koja se zove Change Manager koja dopušta izmjene na parametriziranom modelu. Izmjene na modelu se prikazuju tako što se one nadodaju na već postojeći model. 89

100 Slika Inventor Fusion tehnologija modeliranja [28] Pristup koji koristi Solidworks poznat je pod nazivom Instant 3D. Ova tehnologija omogućava izmjenu geometrije bez dodatnih ulazaka u skice u stablu povijesti nastanka modela. Jednostavnost ove tehnologije ogleda se u tome da je mišem moguće jednostavno ''uhvatiti'' određenu geometriju i napraviti željenu izmjenu. Glavna alatka direktnog modeliranja koja ovo omogućuje je nazvana move face. Izvedene modifikacije opet se smještaju u stablo modela. Space Claim engineer predstavlja jedan od rijetkih inovativnih 3D paketa s direktnim pristupom modeliranju. Direktni pristup mu omogućava veoma jednostavno kreiranje i modificiranje geometrije. Ne postoji više kompleksno stablo povijesti nastanka modela (slika 2.12). 90

101 Slika SpaceClaim i direktni način modeliranja [29] Iron CAD je hibridni sistem koji spaja povijesni i direktni pristup. Oba dva pristupa koriste dinamične alatke koje omogućuju manipuliranja geometrijom. Iron CAD koristi istovremeno dvije tehnologije modeliranja: ACIS i Parasolid u sklopu jedne aplikacije. To omogućuje značajne prednosti u nekim specifičnim situacijama modeliranja. CAD kompanija PTC razvija sustav CoCreate od godine. Njegov način modeliranja omogućava veliku fleksibilnost i idealan je za kompanije koje prave veoma prilagodljive proizvode tj. proizvode koji zahtjevaju česte izmjene u zadnjem trenutku. Samo manipuliranje je maksimalno pojednostavljeno s ''on-the-fly'' pristupom kojeg nudi tehnologija direktnog modeliranja (slika 2.13). 91

102 Slika PTC CoCreate modeliranje [30] 3.4. Pregled poznatih CAD sustava Danas u svijetu na CAD tržištu dominira nekoliko velikih razvojnih kompanija: Dassaullt, Autodesk, PTC i Siemens. Njihovi 3D CAD softveri su veoma slični po mogućnostima koje nude. Tehnologije 3D modeliranja su iste ili slične. Dodatno, sve ove kompanije nude unaprijeđeni PLM sustav (Product Lifecycle Management). Skoro svi njihovi programski paketi imaju ugrađene alate za animaciju, renderiranje i upravljanje podatcima o modelima proizvoda. Koristeći ove sustave dizajneri su u stanju razviti, vizualizirati i simulirati ponašanje svojih budućih proizvoda. Na taj način skoro je u potpunosti nepotrebna izrada prototipova proizvoda radi ispitivanja. U sljedećoj tablici dan je pregled sadašnjeg stanja na tržištu CAD sustava u svijetu. U tablici su navedeni proizvođači softvera, nazivi njihovih proizvoda, tehnologija modeliranja koju koristi pojedini softver i na kraju tu je i ocjena razine klase kojoj pripada svaka od navedenih aplikacija. Cijene pojedinih aplikacija nisu navedene zbog različitih ponuda u različitim dijelovima svijeta. 92

103 Tablica 2.2. Pregled proizvođača i programskih CAD rješenja [5] Kompanija Proizvod Geometrijsko jezgro Operacijski sustav Klasa Autodesk Inventor Autodesk ShapeManager Windows Srednja Dassault Systemes CATIA V6 Windows Visoka Dassault Systemes SolidWorks Parasolid Windows Srednja PTC Pro/ENGINEER Wildfire GRANITE Windows, Unix Srednja /Visoka SIEMENS NX Parasolid Linux, Mac OS, Unix, Windows SIEMENS SolidEdge Synchronius Technology 2 Visoka Parasolid Windows Srednja 3.5. Trendovi daljeg razvoja CAD sustava Razvoj modernih CAD sustava danas u svijetu svakako prati opći trend u razvoju proizvoda. Trend u razvoju CAD sustava je orijentacija na tzv. direktno modeliranje, inteligentnu podršku, kolaborativni dizajn i korištenje Internetskih komunikacija. Problemi kod postojećih CAD sustava javljaju se u razmjeni podataka kod zapisa podataka u različitim datotečnim formatima pri čemu dolazi do gubljenja dijela podataka. Tehnologija direktnog modeliranja rješava ovaj problem. 93

104 Primjena metoda umjetne inteligencije u CAD sustavima je također trend u njihovom razvoju. Ove metode su jedini način pomoću u iznalaženju idejnih rješenja budućih proizvoda u početnim fazama razvoja proizvoda. Inteligentne metode podrške u CAD sustavima također se implementiraju i u svim ostalim fazama. Kolaborativni dizajn je prirodna potreba za suradnjom inženjera u razvoju jednoga proizvoda pa se razvoj modernih CAD sustava sve više temelji na alatima koji omogućuju raspodjelu podataka između različitih odjeljenja u poduzeću, a sve s ciljem unapređenja budućih proizvoda. Ovakva orijentacija u razvoju CAD sustava sve više koristi Internet i tehnologiju World Wide Weba za prethodno navedene ciljeve razmjene podataka i suradnje u razvoju proizvoda. CAD sustavi danas omogućuju inženjerima da budu na različitim lokacijama u svijetu u trenutku dok razvijaju isti model budućeg proizvoda. Osim razvoja CAD softvera, paralelno se radi i na primjeni različitih inovacija kada je u pitanju hardver potreban za suvremene CAD sustave. 94

105 4. KREIRANJE CAD MODELA PROIZVODA METODAMA REVERZNOG INŽENJERSTVA 4.1. Uvod Reverzno inženjerstvo je proces generiranja CAD modela iz postojećeg fizičkog dijela. Radi se o rekonstrukciji postojećeg proizvoda uzimanjem podataka o dimenzijama i geometrijskim značajkama. To je proces koji je suprotan klasičnom postupku dizajniranja i modeliranja budućih proizvoda. Metode reverznog inženjerstva dijele se u dvije osnovne skupine: beskontaktne i kontaktne. U beskontaktne metode spadaju različite metode 3D skeniranja, dok su kontaktne metode više tradicionalne metode prikupljanja podataka ostvarivanjem kontakta između površine i mjernih uređaja uz pomoć odgovarajućih kontaktnih ticala. Kontaktno temeljena mjerenja su obično pouzdanija, ali i oduzimaju više vremena. Reverzni inženjering podrazumijeva prikupljanje informacija o bilo kojem modelu kojeg je napravio čovjek. Sama ideja reverznog inženjerstva je nastala znatno prije prvih računala ili današnje tehnologije, a veliki napredak je nastao s razvojem suvremenih računalnih tehnologija. Cilj prikupljanja znanja i informacija o proizvodu je iskorištavanje tih informacija radi poboljšanja vlastitih proizvoda. Reverzni inženjering se općenito koristi kada je potrebno prikupiti informacije o načinu rada određenog proizvoda u slučaju kada te informacije nisu dostupne. Reverzno inženjerstvo geometrijskih modela proizvoda i sama upotreba CAD modela ubrzano se razvija u zadnjih par desetljeća. Sve moderne tehnologije proizvodnje danas koriste CAD modele koji mogu nastati klasičnim CAD modeliranjem ili reverznim postupkom dobivanja CAD modela. Proizvodnja klasičnim tehnologijama obrade odvajanjem čestica na CNC strojevima ili aditivnim tehnologijama tzv. Rapid prototyping metodama u osnovi koriste iste CAD modele proizvoda. 95

106 4.2. Beskontaktne metode reverznog inženjerstva Reverzno inženjerstvo podrazumijeva sustavan pristup u analizi oblika i dimenzija, odnosno općenito karakteristika postojećih proizvoda s ciljem poboljšanja njihovih karakteristika. Cilj je stvaranje CAD modela proizvoda, zapravo digitalnog (virtualnog) modela proizvoda koji se može unaprijediti, popraviti, poboljšati ili na bilo koji način izmijeniti s ciljem njegove ponovne proizvodnje. Ovaj postupak vrlo je popularan za proizvode za koje ne postoje CAD modeli. Postupak reverznog inženjerstva sastoji se iz četiri koraka: Ocjena postojećeg proizvoda (vizualni pregled, pregled dimenzija, procjena kvalitete, mogući problemi i sl.), Generiranje podataka (stvaranje CAD modela i crteža postojećeg proizvoda), Stvaranje i verifikacija novog dizajna proizvoda (izrada prototipa, testiranje modela, ispitivanje kvalitete ), Implementacija (ekonomska analiza, kompletiranje projekta, ) Reverzno inženjerstvo služi kao polazište u procesu redizajna proizvoda, tijekom kojeg se proizvod analizira u smislu svoje funkcionalnosti, principa rada, mogućnosti proizvodnje, montaže i sl. u svrhu potpunog razumijevanja svakog detalja proizvoda. Početni korak u ovome postupku jest dobivanje geometrijskih podataka za stvaranje računalnog CAD modela proizvoda. U postupku reverznog inženjerstva za početak je potrebno na neki način stvoriti računalni 3D model proizvoda. Potrebno je na neki način dobiti koordinate više točaka na površini proizvoda, tj. prikupiti površinske podatke pomoću kojih je onda moguće kreirati 3D računalni model. Nakon toga se dobiveni 3D model koristi za tzv. redizajn, odnosno za kreiranje novog, poboljšanog 3D modela. Za stvaranje 3D modela može se koristiti neki od klasičnih CAD sustava, nakon čega se primjenom 96

107 CAD/CAM tehnologija može u potpunosti razviti i proizvesti novi proizvod. Danas je u svijetu razvijeno više različitih metoda prikupljanja površinskih podataka (reverznog inženjerstva) koje se u osnovi dijele u dvije kategorije: beskontaktne i kontaktne tehnike. Beskontaktne tehnike omogućuju dobivanje koordinata više točaka na proizvodu bez fizičkog kontakta sa samim proizvodom, dok kontaktne metode iste te točke, odnosno njihove koordinate daju kontaktom s proizvodom. Postoji nekoliko različitih metoda koje se mogu primijeniti i za uzimanje površinskih podataka. Ove metode se mogu svrstati u dvije kategorije: kontaktne i beskontaktne metode. Kontaktne metode su tradicionalni način prikupljanja podataka koji se koristi već dugi niz godina. Podaci o koordinatama točaka na površinama tijela dobivaju se na temelju kontakta između površine tijela i mjernog uređaja. Kontaktne metode općenito mjere površinu objekta koristeći kontaktnu sondu, senzorski uređaj koji je vrlo osjetljiv na tlak. Podatak o koordinatama točke dobiva se trenutno nakon ostvarenog kontakta sonde s površinom tijela. S druge strane, beskontaktne metode obično koriste svjetlo ili laserski snop, kao glavni alat za prikupljanje informacija s površina tijela. Beskontaktne tehnike dodatno su podijeljene u dvije potkategorije: beskontaktne aktivne i beskontaktne pasivne tehnike. Aktivne tehnike koriste svjetlo ili ultrazvuk za prikupljanje podataka o koordinatama točaka na površini tijela. Obje metode bacaju zraku na predmetnu površinu, a zatim pregledaju reflektiranu zraku pomoću senzora koji je postavljen koaksijalno na izvor. Lokacija izvora daje dva koordinatna mjerenja točke površine dok analiza reflektiranog snopa daje treću dimenziju. Treća koordinata određuje se ili izračunavanjem razlike faza između izvorne i reflektirane svjetlosti ili vremena potrebnog da se svjetlost reflektira od površine objekta. 97

108 Točniji podatci dobivaju se izračunavanjem razlike faza između izvorne i reflektirane svjetlosti. Više je pasivnih tehnika i one rade s tzv. ambijentalnom svjetlošću. Jedna od popularnijih zadnjih godina je stereo skeniranje. Stereo skeniranje postiže se stvaranjem dviju ili više slika predmeta iz različitih perspektiva. Odgovarajuće točke površine identificiraju se na dvije slike i postupkom triangulacije se identificira točna lokacija točaka. Kako su digitalne slike i računalne mogućnosti zadnjih godina jako poboljšane ovaj postupak je postao vrlo popularan D Lasersko skeniranje Lasersko skeniranje je tzv. aktivna tehnika za precizno i brzo prikupljanje velikih količina geometrijskih podataka s površine objekta. Laserski skeneri mjere točke na dijelu površine računajući položaj laserske točke projicirane na površinu tog dijela. Skener baca zraku na površinu objekta i zatim ispituje reflektiranu zraku pomoću senzora koji se nalazi koaksijalno do samog izvora zraka na skeneru. Položaj izvora daje X i Y koordinate mjerene točke na površini, dok analiza reflektiranog snopa postupkom triangulacije daje treću dimenziju. Sustavi laserskog skeniranja imaju i mehanički dio opreme koji omogućuje rotaciju predmeta skeniranja ili rotaciju samog skenera oko predmeta skeniranja. Ovi sustavi također mogu biti opremljeni i laserskim izvorom smještenim na različite sonde koje su u mogućnosti kretati se linearno duž svih osi ili rotirati oko njih te na taj način prikupljati geometrijske podatke o koordinatama točki na površinama skeniranih objekata i pri tome posebno prikupiti podatke s kompliciranih geometrijskih oblika površina kao što su različita duboka udubljenja na površini i sl. Ova metoda prikupljanja geometrijskih podataka pruža visoku razlučivost mjerenja preko cijelog radnog volumena. Proces skeniranja obično počinje skeniranjem najdonjeg sloja objekta i nastavlja se idući prema gore sloj po sloj u korisnički definiranim 98

109 intervalima. Kada se završi proces skeniranja podaci su organizirani kao zbirka presjeka pojedinih slojeva skeniranog objekta, nakon čega se analiziraju s ciljem osiguranja točnosti. Postupak analize ovih podataka danas obavljaju računala uz pomoć raznih razvijenih algoritama. Tehnologije laserskog skeniranja općenito daju vrlo precizne geometrijske podatke. Računalni model, odnosno 3D struktura skeniranog objekta dobiva se integracijom ovih podataka i spajanjem presjeka skeniranih slojeva. Rezultat je CAD datoteka u nekom od standardnih CAD datotečnih formata i odmah se može koristiti za reinženjering korištenjem CAD/CAM programskih paketa. Također je moguće dobiti i ASCII datoteku ili STL datoteku za brzu izradu prototipa. Slika D laserski skener ZScanner 700 proizvođača ZCorp [31] Trodimenzionalna fotogrametrija Stereo skeniranje je tehnika pasivnog reverznog inženjerstva. Ova tehnika omogućuje prikupljanje geometrijskih podataka nekog objekta integrirajući više fotografija objekta iz različitih perspektiva. Nakon toga vrši se identifikacija podudaranja slikovnih piksela koji odgovaraju istoj 99

110 točki na objektu. Ovakav postupak najčešće se koristi za velike udaljenosti, npr. kod izrade mapa terena. To se postiže uzimanjem više fotografija terena snimljenih iz zrakoplova. Fotogrametrija se također koristi i za izradu 3D modela raznih objekata. Korištenjem ove metode s različitih pozicija se uzimaju slike objekta pri čemu određeni matematički modeli sustava generiraju prostorne koordinate diskretnih točaka na objektu. Temeljno načelo koje koristi fotogrametrija je triangulacija. Fotografije se uzimaju iz najmanje dvije kamere koje su s različitih pozicija usmjerene prema objektu. Uzimanjem ovih fotografija dobivaju se tzv. linije vida iz svake kamere na točkama površine objekta. Ove linije se zatim matematički sijeku kako bi se dobile prostorne koordinate točaka površine objekta (slika 2.15). Slika Linije vida iz kamera kod 3D skeniranja [5] Više slika iz više kamera omogućuje dobivanje geometrijskih pozicija točaka na površini objekata. Za precizno pozicioniranje točaka potrebno je u referentnom koordinatnom sustavu precizno pozicionirati i orijentirati kamere kojima se dobivaju slike. Nakon toga se ovakav sustav kamera koristi za dobivanje trodimenzionalnih koordinata točaka koje se pojavljuju na dvije ili više dvodimenzionalnih slika. Stereo fotogrametrijski sustav sastoji se od dvije ili više kamera koje snimaju slike 100

111 predmeta u isto vrijeme, ili jedna ili više kamera za uzimanje fotografija u nizu. Za dobivanje slika najčešće se koriste CCD (charge-coupled device) kamere (primjer na slici 2.16). Ovakvi, fotogrametrijski sustavi imaju određene prednosti, ali i nedostatke. Prednosti su: brzo vrijeme skeniranja, moguća integracija više kamera (stereo skeniranje), nije osjetljiv na boju skeniranih dijelova, mogućnost skeniranja vrlo malih površina. Međutim, ovi sustavi imaju i nedostatke: visoka cijena, točnost skeniranja smanjuje se s povećanjem udaljenosti kamere od objekta, zbog stalno istog kuta skeniranja često se dobivaju loši podaci kod naglih prijelaza na površinama, strmih kutova, rupa u objektu i sl., geometrijski podatci su obično netočni u slučaju prisutnosti nečistoća na površini. Slika CCD kamera [32] 101

112 Beskontaktne metode 3D skeniranja u medicini Danas se u svijetu sve više koriste razne metode 3D skeniranja radi dobivanja 3D medicinskih slika s ciljem liječenja i općenito zdravstvene zaštite čovjeka. Tome je znatno doprinio napredak u razvoju digitalnih tehnologija prikupljanja geometrijskih podataka. Razvijeno je nekoliko novih tehnologija i metoda obrade slike od kojih su najpoznatije magnetska rezonancija (MR), računalna tomografija (CT) i ultrazvučno skeniranje. Ove tehnike su prilično skupe, ali daju vrlo precizne 3D geometrijske podatke. Prethodno spomenute metode daju nizove 2D slika paralelnih poprečnih presjeka dijelova tijela, nakon čega se radi rekonstrukcija i kreiranje 3D modela. 3D računalni modeli dijelova tijela koriste se za vizualizaciju, analizu, planiranje operacija, izradu različitih proteza i implantata, planiranje terapija i sl. Više je prednosti korištenja ovakvih 3D modela od kojih su posebno važne tzv. predoperacijsko planiranje i simulacija kirurških operacija, biomehaničko modeliranje zglobova, mogućnost precizne navigacije kirurških alata u računalno podržanoj kirurgiji, proizvodnja preciznih fizičkih modela implantata i sl. U svijetu je sve veća primjena tehnologija stvaranja 3D računalnih modela dijelova tijela, zatim tehnologija reverznog inženjerstva i brze izrade prototipa. U tu svrhu se razvija i sve veći broj računalnih sustava za rekonstrukciju i kreiranje 3D računalnih modela na temelju slika iz MR, CT i ultrazvučnih uređaja. Magnetska rezonanca (MR) je medicinska dijagnostička tehnika koja stvara slike dijelova tijela pomoću načela nuklearne magnetske rezonancije. MR je vrlo snažan i osjetljiv sustav koji generira slike tankih slojeva bilo kojeg dijela tijela (npr. organa, kostiju i sl.). Ove slike moguće je dobiti iz bilo kojeg kuta i smjera bez kirurškog zahvata i u relativno kratkom razdoblju. 102

113 Slika MRI skener [33] Uređaji računalne tomografije (CT uređaji) su složeni sustavi temeljeni na rendgenskim uređajima i računalnoj opremi. CT skener rotira oko tijela pacijenta i pri tome emitira rendgenske zrake. Odgovarajući detektori smješteni su na suprotnim stranama izvora zrake. Oni detektiraju i bilježe intenzitet rendgenskih zraka. Intenzitet ovih zraka je različit s obzirom na različitu gustoću tkiva i kostiju. Gustoća skeniranog objekta određuje količinu emitirane rendgenske zrake koja prolazi kroz objekt, a time i intenzitet sivim tonovima slike na toj lokaciji. Ovi podaci se prosljeđuju računalu koje pretvara podatke u sliku. Temeljno načelo CT a je da ozrači odsječak tkiva iz više kutova mjereći razinu zračenja na strani suprotnoj izvoru zračenja. Različita tkiva imaju različite gustoće i na taj način ublažuju rendgenske zrake u različitoj veličini. 103

114 Slika CT skener [34] Uređaji za ultrazvučno skeniranje koriste tzv. neinvazivnu dijagnostičku tehnologiju u stvaranju medicinskih slika dijelova tijela čovjeka. Koriste zvučni val visoke frekvencije (20 khz). Uređaji za ultrazvučno skeniranje sadrže sonde za generiranje zvuka. Ove sonde su u isto vrijeme i detektori zvuka. Sonda se prislanja na kožu, a zatim se generiraju zvučni valovi. Odaslani zvuk odjekuje različito s obzirom na sastav tkiva, a sonda bilježi sve promjene zvuka. Promjene zvuka pri prolasku zvučnih valova kroz tijelo koriste se kako bi se mogla utvrditi pozicija nekog objekta, zatim njegova veličina i sl. Odjeci zvuka se odmah mjere i računalno obrađuju što za rezultat ima sliku koju je moguće pratiti u realnom vremenu na ekranu računala. Također se slike mogu zapisati u nekom od standardnih slikovnih formata. 104

115 4.3. Kontaktne metode reverznog inženjerstva Uvod Kontaktne metode reverznog inženjerstva podrazumijevaju uređaje koji imaju vrlo osjetljiva ticala kojima se dodiruje površina skeniranog objekta. Daju dobre rezultate u pogledu točnosti. Ove metode imaju nekoliko prednosti u odnosu na beskontaktne sustave [18]: - Nije potrebna posebna obrada površina radi sprečavanja refleksije, - Vrlo precizno skeniranje međusobno okomitih površina, - Gustoća podataka nije fiksna, moguće je gustoću mijenjati s obzirom na oblik skenirane površine, - Nije potrebno dugotrajno ručno uređivanje podataka radi uklanjanja zaostalih točaka (tzv. nečisti podatci), - Moguće je precizno skenirati sitne detalje na površini objekata. Uređaji za kontaktno skeniranje realnih modela 3D objekata i stvaranje CAD modela na temelju takvog skeniranja uključuju sve prethodno spomenute prednosti, ali i druge dodatne osobine kao što su skeniranje osjetljivih materijala i sl. S ovakvim uređajima moguće je skenirati vrlo složene površine i oblike 3D tijela. Uređaji za skeniranje kontaktnim metodama uključuju računala i odgovarajuće programske aplikacije. Uređaji za skeniranje su zapravo strojevi slični CNC strojevima s odgovarajućom računalnom i programskom opremom i poznati su pod nazivom koordinatni mjerni uređaji KMU (engl. Coordinate Measuring Machines CMM). Ovakvi uređaji-strojevi imaju odgovarajuća vrlo osjetljiva dodirna ticala - sonde koji služe za dodir površine pri čemu se zapisuju trenutne koordinate vrha takve sonde kao koordinate točke na površini objekta. Ključna prednost ovih kontaktnih metoda jest dobivanje tzv. čistih podataka, tj. koordinata točaka koje su stvarno sastavni dio površina skeniranih objekata. Za razliku od ovih metoda, beskontaktne metode daju značajan dio tzv. nečistih podataka o koordinatama točaka pa je potrebno uložiti dosta truda za naknadnu obradu dobivenih 105

116 računalnih CAD modela. Sustavi koriste odgovarajuća programska rješenja koja korisniku daju jako puno mogućnosti u kreiranju CAD modela skeniranih objekata. CAD modeli se dalje jednostavno mogu koristiti za izmjene dizajna modela, različite inženjerske analize i na kraju i za kreiranje NC programa za proizvodnju na CNC strojevima ili RPT modela za proizvodnju aditivnim tehnologijama. Kod ovakvih sustava postoji i mogućnost da se za skeniranje objekata mogu koristiti i klasični CNC strojevi uz dodavanje potrebne opreme, računala i odgovarajućih programskih rješenja. Kontaktni mjerni sustavi rade s vrlo velikom točnošću. Druge kontaktne metode reverznog inženjerstva su elektromagnetska digitalizacija i zvučna digitalizacija. Elektromagnetski digitalizatori utvrđuju površinske podatke objekata, smještenih u magnetsko polje korištenjem odgovarajućeg ticala (vrlo osjetljiva igla) koja sadrži senzor magnetnog polja na površini predmeta. Senzor magnetnog polja zajedno s pripadajućim elektroničkim uređajem detektira položaj i orijentaciju ticala te se na taj način mogu zapisati precizni podaci o točkama na površini skeniranog objekta. Zvučni digitalizator koristi zvučne valove za izračun položaja točke u odnosu na prethodno definiranu referentnu točku. Uređaj raspolaže se ručno vođenim ticalom za skeniranje površine i njegov se položaj detektira uz pomoć više mikrofona. Sustav koristi podatke o vremenima registracije dodira ticala s površinom nakon čega se izračunavaju koordinate točaka površine skeniranog objekta Koordinatni mjerni uređaji Najpoznatija i najranije razvijena metoda kontaktno temeljenog reverznog inženjerstva primijenjena je kroz tzv. koordinatne mjerne strojeve (engl. Coordinate Measuring Machines CMM). CMM sustavi koriste 3D koordinatni sustav i daju izravnu fizičku reprezentaciju modela. CMM sustavi mjere koordinate točaka na površini 3D skeniranih objekata 106

117 pomoću kontaktnih ticala sondi. Ticala su uređaji, vrlo osjetljivi na tlak i svakim kontaktom ticala s površinom objekta aktivira se programski sustav zapisa koordinata položaja vrha ticala. CMM sustav stalno mjeri linearne udaljenosti ticala od svoga ishodišta koordinatnog sustava čime se dobivaju koordinate mjerenih točaka na površini objekta. CMM sustavi mogu biti automatski i ručno vođeni. Automatski su poznati i pod nazivom CNC CMM sustavi i upravljani su programskom aplikacijom. Kod ovakvih sustava automatski se snimaju koordinate točaka površine, dok kod ručnih CMM sustava operater vrši kretnje ticala s ciljem dobivanja koordinata točaka na površini skeniranog objekta. Postoje različite izvedbe koordinatnih mjernih strojeva, a najčešće izvedbe su u obliku mosta, u izvedbi s pokretnim postoljem i u konzolnoj izvedbi. Primjer koordinatnih mjernih strojeva mosnog tipa prikazan je na slici Ovakvi uređaji obično se koriste za digitalizaciju složenih mehaničkih dijelova kao što su npr. zupčanici, kalupi i sl. Najčešće se također koriste za digitalizaciju dijelova većih dimenzija, s gabaritnim dimenzijama čak više od 4 metra. 107

118 Slika Mosni koordinatni mjerni stroj [35] Tipovi strojeva s pokretnim postoljem prikazani su na slici Ovakvi strojevi s pokretnim postoljem imaju vrlo robusnu konstrukciju u usporedbi s drugim koordinatnim mjernim strojevima. Robusna konstrukcija je neophodna radi izbjegavanja deformacija koje se mogu pojaviti kao posljedica velike težine skeniranih dijelova. Koordinatni mjerni strojevi ovakve izvedbe najčešće se koriste za pregled i skeniranje velikih dijelova kao što su posude pod tlakom, šasije automobila, cijevi i slično. 108

119 Slika Koordinatni mjerni stroj s pokretnim postoljem [36] Konzolni koordinatni mjerni strojevi omogućuju jednostavan pristup objektu koji se skenira. Radni stol je nepokretan pa je moguće skenirati i teže dijelove. Primjer ovakvog uređaja prikazan je na slici

120 Slika Primjer konzolnog mjernog uređaja [37] Koordinatni mjerni uređaji konzolnog tipa vrlo često se koriste u automobilskoj industriji, najčešće u izvedbi s dvostrukim sustavom skeniranja. Česte su i prijenosne izvedbe koordinatnih mjernih uređaja. Ovakvi uređaji raspolažu sa zglobnom polugom na kojoj se nalazi ticalo. Zglobna poluga omogućuje da se ticalo može zakrenuti u različitim smjerovima prema objektu koji se skenira, pa ovakvi sustavi obično imaju 6 stupnjeva slobode kretanja. Točnost mjerenja u velikoj mjeri ovisi o vještini operatera i niža je u odnosu na prethodno navedene sustave. Ovakvi sustavi imaju laganu konstrukciju velike čvrstoće i mogu raditi u različitim uvjetima i na različitim mjestima. Primjer ovakvog uređaja prikazan je na slici

121 Slika Prijenosni konzolni koordinatni mjerni uređaj [38] Općenito, svi koordinatni mjerni uređaji sastoje se iz postolja, mjernog ticala, upravljačke jedinice i pripadajućeg softvera. Dostupni su u različitim izvedbama i dimenzijama te s različitim tehnologijama samih ticala za snimanje koordinata točaka na površini skeniranih objekata. Ključna karakteristika ticala za određivanje koordinata točaka jest rezolucija. Različite izvedbe ovakvih uređaja mogu imati ručno upravljanje pomakom ticala, zatim CNC i računalno upravljanje Proces skeniranja objekta koordinatnim mjernim uređajem Na slici 2.23 prikazana je klasična shema sustava za skeniranje objekata koordinatnim mjernim uređajem. Mjerni objekt smješten je na radnom stolu, obično u ravni X-Y. Ticalo je smješteno okomito i može se micati u Z pravcu. Dodirom ticala na površinu skeniranog objekta registriraju se koordinate samog vrha ticala i zapisuju uz pomoć pripadajućeg softvera na računalu. Ticalo se kontinuirano pomjera po površini objekta koji se skenira i na taj način se zapisuju koordinate čitavog niza točaka. 111

122 Slika Shema CMM sustava za skeniranje objekata Na sljedećoj slici prikazan je primjer putanje vrha ticala po površini skeniranog objekta s ciljem kvalitetnog skeniranja. 112

123 Slika Putanja ticala po površini skeniranog objekta [5] Skenirane točke na površini objekta imaju svoje koordinate koje se zatim koriste za kreiranje CAD modela skeniranih tijela. Kod kreiranja CAD modela koriste se različite interpolacijske metode generiranja površina kroz više točaka. Nakon toga se kreira solid CAD model skeniranog objekta između površina koje ga okružuju. 113

124 5. ADITIVNE TEHNOLOGIJE PROIZVODNJE 5.1. Uvod Razvoj tehnologija 3D CAD modeliranja proizvoda omogućio je i nagli napredak i automatizaciju proizvodnih postupaka. Klasične tehnologije obrade odvajanjem čestica su značajno uznapredovale zahvaljujući razvoju CAM podrške i CNC strojeva. U posljednjih par desetljeća, a vrlo intenzivno zadnjih godina svjedoci smo nastanka jedne sasvim nove tehnologije koja već sada temeljito mijenja suvremeni način izrade proizvoda. Ta tehnologija u početku je nazvana Rapid Prototyping (brza izrada prototipa). Rapid Prototyping (RP) može se definirati kao grupa računalno temeljenih tehnologija koje omogućuju brzu izradu modela nekog proizvoda u željenom mjerilu korištenjem njegovog 3D CAD modela. Ona je postala dostupna kasnih osamdesetih godina prošlog stoljeća. U početku se koristila za izradu modela i dijelova kao prototipa. Danas se koristi u mnogo većem razmjeru i sve više za proizvodnju kvalitetnih finalnih proizvoda. Rapid Prototyping sustav preuzima 3D model izravno iz CAD sustava i transformira ga u horizontalne slojeve. Nakon toga proizvodi ("ispisuje") te slojeve i slaže ih jedan na drugi, sve dok model ne bude gotov. Pojednostavljeno, Rapid prototyping (RP) stroj (npr. 3D printer) slaže sloj po sloj gipsa, papira, plastike, metala ili nekog drugog materijala i tako gradi model. Danas je tehnologija brze izrade prototipa dostigla takav stupanj da svako tko posjeduje računalo, odgovarajući računalni program za 3D modeliranje, odgovarajuća znanja iz 3D modeliranja i 3D printer može veoma jednostavno materijalizirati plod svog rada za računalom. Danas su to modeli od "jednostavnih" materijala kao što su gips, papir, razne vrste plastike, metal itd. Dalji razvoj usmjeren je na razvoj novih materijala ali i RP sustava koji će raditi ispis od dva, tri ili više materijala i tako moći generirati čitave sklopove. Više je različitih metoda izrade prototipa proizvoda i samih konačnih proizvoda, a sve ove metode rade na principu tzv. slojevite proizvodnje, dakle proizvodnje proizvoda dodavanjem materijala sloj po sloj. Iz tog razloga sve ove metode nazivaju se jednim imenom: aditivne tehnologije. 114

125 Prvi postupak brze izrade prototipa, poznat pod nazivom stereolitografija (SLA) prvi put je predstavljen u firmi 3D Systems of Valencia (USA) osamdesetih godina prošlog stoljeća. SLA stroj je za proizvodnju koristio tekuću foto-osjetljivu polimernu plastiku koja je skrućivana laserom sloj po sloj da bi se dobio čvrsti objekt. Uslijedio je razvoj i drugih tehnologija, kojima je bio cilj brža i jeftinija proizvodnja. Modeli nastali pomoću RP tehnologije, obično su se koristili za razna ispitivanja i testiranja. Danas se već pomoću ove tehnologije počinju proizvoditi i finalni proizvodi. Razvoj ovih tehnologija danas u svijetu uzima sve više maha, a za to postoji više razloga od kojih su najvažniji: - Smanjenje ukupnog vremena razvoja proizvoda (od ideje do realizacije); - Smanjenje skupih pogrešaka u razvoju proizvoda; - Povećanje životnog vijeka proizvoda dodavanjem potrebnih osobina i eliminiranjem grešaka u ranijim verzijama proizvoda, - puno brža izrada alata, - relativno niska cijena modela posebno u slučajevima iznimno složenih geometrijskih oblika, - smanjenje troškova cijelog procesa razvoja proizvoda, - poboljšano oblikovanje i povećani životni vijek proizvoda, - smanjeni troškovi održavanja i zamjene dijelova, - brža analiza funkcionalnosti, oblika i dimenzija modela proizvoda, - mogućnost zadovoljenja kritičnih rokova isporuke itd. Tehnologije brze izrade prototipa smanjuju vrijeme razvoja novih proizvoda na način da omogućuju unošenje izmjena u konstrukciji u ranim fazama razvoja proizvoda. Sve potrebne korekcije sa stanovišta dizajna proizvoda, marketinga, prodaje, uporabe i sl. mogu se napraviti u najranijim fazama razvoja novog proizvoda. Sama proizvodnja novog proizvoda temeljena na tehnologiji brze izrade prototipa omogućuje povećanje broja različitih varijanti jednog proizvoda, povećanje kompleksnosti proizvoda, smanjenje vremena isporuke proizvoda itd. Složenost modela je posebno važna stvar i aditivne tehnologije 115

126 proizvodnje su posebno isplative u slučaju geometrijski složenijih modela proizvoda. Ovim postupcima moguće je proizvesti vrlo složene modele u vrlo kratkom vremenu. Aditivne tehnologije proizvodnje prototipa proizvoda, odnosno samih konačnih proizvoda unapređuju proces razvoja proizvoda omogućavanjem bolje komunikacije u okruženju istovremenog inženjerstva. Postupci brze izrade prototipova najčešće se dijele u tri glavne kategorije: - Brza izrada prototipova (Rapid prototyping). Ova kategorija obuhvaća izradu modela na temelju 3D CAD modela, računalne tomografije ili na temelju 3D modela dobivenih 3D skeniranjem (postupci reverznog inženjerstva). Kao materijali mogu se koristiti drvo, polimeri, metali, keramika, kompoziti itd. u raznim oblicima (tekućina, prah, tanke ploče itd.). Modeli se najčešće izrađuju u svrhu: procjene oblika i dimenzija, određivanja funkcionalnosti, ergonomskih studija, izrade uzoraka za kupca, fotografiranja proizvoda u marketinške svrhe, testiranja u zračnim tunelima itd. - Brza izrada alata (Rapid tooling). Ova kategorija obuhvaća niz tehnika koje se koriste za brzu izradu složenih alata, kalupa i oblika koji se zatim koriste za izradu gotovih dijelova. Ovi se postupci najčešće primjenjuju kada se radi o malim serijama proizvoda i kada bi izrada alata uobičajenim postupcima bila jako skupa. - Brza izrada proizvoda (Rapid manufacturing). Tehnologije brze izrade prototipova primjenjuju se za izradu gotovih proizvoda koji odmah idu na tržište. Postupak proizvodnje proizvoda aditivnim tehnologijama jednak je kod svih proizvoda i sastoji se iz sljedećih koraka: 116

127 - Prvi korak je kreiranje STL (stereolithography) datoteke iz 3D CAD modela. Model se oblikuje pomoću nekog od suvremenih solid CAD modelera, a može nastati izravnim CAD modeliranjem ili se može dobiti postupcima reverznog inženjerstva. Nakon toga slijedi konvertiranje u STL format koji je standardni format koji se koristi za brzu izradu prototipova. On predstavlja trodimenzionalnu površinu koja nastaje kao sklop planarnih trokuta; - U drugom koraku RP sustav računalno obrađuje STL datoteku i izrađuje slojeve modela sa željenom rezolucijom. Ovisno o postupku RP stroj počine stvaranje slojeva, od najdonjeg prema najgornjem. Proces nanošenja slojeva materijala i njegovog skrućivanja ponavlja se sve dok se ne dobije gotovi izradak; - Kada se jedan sloj izradi, model se u stroju spušta za debljinu sljedećeg sloja kako bi se omogućila izrada tog sljedećeg sloja i proces se ponavlja do kompletiranja cijelog modela; - Model se na kraju uzima iz stroja i cijeli postupak završava njegovim čišćenjem, s njega se uklanja zaostali, neželjeni materijali, te se brusi ili polira kako bi se dobilo željeno stanje površine. Aditivne tehnologije proizvodnje, danas se primjenjuju praktično u svim granama industrije. Sve je šira primjena ovih tehnologija u automobilskoj industriji (dijelovi ovjesa, upravljački mehanizmi, spojke, izrada kalupa za različite odljevke koji su sastavni dijelovi vozila, izrada dijelova za antikna vozila kojih više nema na tržištu ), u industriji robe široke potrošnje (obuća, igračke, nakit, glazbeni instrumenti ), u arhitekturi (prototipovi i umanjeni modeli objekata), u medicine (3D modeliranje za jasno planiranje operacija, različite proteze i umetci i sl.) u proizvodnji suvenira itd. 117

128 Znakovit je i društveni značaj ove tzv. nove proizvodne paradigme. Računalni sustavi i aditivne tehnologije pokrenuli su eru tzv. individualizirane proizvodnje proizvoda i napuštanje masovne proizvodnje. To uključuje široku mogućnost kreacije različitih modela proizvoda uz podršku CAD sustava i njihovu proizvodnju uz pomoć sustava temeljenih na 3D aditivnim tehnologijama proizvodnje. Već sada postoje poduzeća koja okupljaju CAD dizajnere na različitim lokacijama u svijetu, vlasnike 3D sustava za proizvodnju aditivnim tehnologijama i prateće službe organizirane putem web sustava na internetu. Rezultat je sve veća ponuda kvalitetnih i jeftinih proizvoda koji mogu biti kreirani bilo gdje u svijetu, a proizvest će se na lokaciji koja je kupcu najbliža radi što manjih transportnih troškova. Ovim modernim pristupom, kreacija rezultira CAD modelom koji se elektronički putem interneta šalje na proizvodnu lokaciju najbližu kupcu. Naravno, naručitelj proizvoda može i sam biti kreator i zatražiti proizvodnju vlastitog modela ili definirati zahtjeve prije samog modeliranja svoga proizvoda. Slika Zastupljenost RP u pojedinima granama industrije u godini u svijetu [39] 118

129 Suvremeni aditivni postupci proizvodnje razvijani su proteklih desetljeća u različitim pravcima s obzirom na materijale i tehnologije obrade materijala. Sam postupak proizvodnje proizvoda ovim tehnologijama koji je prethodno objašnjen ostao je isti. U početku primjene ovih proizvodnih postupaka, uglavnom su se koristili za brzu izradu prototipova (Rapid Prototyping - RP). Nakon toga uslijedila je primjena u području izrade alata i kalupa za proizvodnju proizvoda (Rapid Tooling - RT). U daljem razvoju i primjeni ovih tehnologija došlo se do izravne proizvodnje gotovih proizvoda za tržište (Rapid Manufacturing - RM). Danas je u svijetu u primjeni više različitih aditivnih tehnologija proizvodnje. Ove tehnologije imaju svoje specifičnosti s obzirom na vrstu materijala kojeg koriste za izradu proizvoda. Materijale koji se koristi za izradu proizvoda aditivnim postupcima dijelimo na čvrste, praškaste i tekuće. Danas je u svijetu u uporabi više različitih tehnologija brze izrade prototipa od kojih su danas najčešće u primjeni sljedeće tehnologije: - Stereolitografija (SL/SLA); - Selektivno lasersko srašćivanje (Selective Laser Sintering - SLS), i Laserska tehnologija oblikovanja praha (Laser Engineered Net Shaping - LENS); - Taložno očvršćivanje (Fused Deposition Modeling - FDM); - Laminiranje (Laminated Object Manufacturing - LOM); - 3D ispis (3DP); - Hibridni PolyJet postupak kombinacija SLA i 3DP. Praškaste materijale koriste tehnologije SLS i 3DP, tekuće SL/SLA, a čvrsti materijali su u uporabi kod LOM i FDM postupaka. Sve navedene tehnologije imaju zajednički princip rada. Temelje se na izradi fizičkog modela ili prototipa iz 3D CAD datoteke, tj. uzimaju geometriju modela iz CAD datoteka u STL formatu, model softverski pretvaraju u niz slojeva i šalju informacije za ispis odgovarajućem stroju. Stroj izrađuje slojeve materijala, potpore i veziva, jedan za drugim, sve dok model ne bude u potpunosti generiran. Način rada samih 3D strojeva za aditivne tehnologije proizvodnje, kao i izbor materijala razlikuju se od 119

130 tehnologije do tehnologije. Današnji standard za slojeviti model proizvoda je STL format datoteke i svi današnji 3D proizvodni sustavi mogu generirati STL datoteke Stereolitografija Stereolitografija (SLA) je prva komercijalno dostupna metoda brze izrade prototipa proizvoda (Rapid Prototyping), razvijena u kompaniji ''3D Systems of Valencia'' u Kaliforniji (SAD). Uređaji koji koriste ovu tehnologiju sastoje se od četiri osnovna dijela: Računala koje obrađuje podatke i kreira slojeve, kontrolnog računala koje nadzire proces, komore u kojoj se RP izrada proizvoda obavlja te laserske jedinice. U srcu uređaja nalazi se posuda u kojoj se odvija čitav proces. Materijal koji se koristi za izradu prototipa je fotopolimerna tekućina koja se dodaje po konstrukciji u tankom sloju, debljine najčešće od 0,1 mm. Budući da ova tekućina ima svojstvo da se pod ultraljubičastim zračenjem laserske jedinice pretvara u krutu tvar, laser ocrtava konturu jednog po jednog sloja i tako nastaje čvrsti model. Zbog adhezivnih svojstava ovog materijala slojevi se odmah spajaju i formiraju dosta čvrst trodimenzionalni objekt. Postoji mnogo materijala koji su pogodni za SLA tehnologiju izrade. Materijali mogu biti različitih boja i moguće je napraviti prilično velike modele koristeći SLA tehnologiju. Negativna strana ovog postupka je što je tečni fotopolimerni materijal veoma skup i proces dobivanja modela dugo traje. Nedostatak SLA je i taj što zahtijeva prostor sa kontroliranom sredinom. Cijena koštanja stroja i materijala za SLA dovela je do toga da je ona prihvaćena samo u nekim velikim kompanijama i istraživačkim institucijama i nikad nije doživjela masovniju primjenu. 120

131 Slika Shema SLA postupka brze izrade prototipova [11] Na slici 2.26 dat je shematski prikaz stroja za brzu izradu prototipa korištenjem tehnologije stereolitografije. Pokretni radni stol A je na elevatoru koji se može vertikalno spuštati u posudi B. Na radni stol u posudi nanosi se foto osjetljivi polimer C. Ovaj materijal ima osobinu da očvrsne kada svjetlost iz laserske zrake pređe preko njega. Laserska zraka prelazi cijelu površinu foto osjetljivog materijala u tečnom stanju i opisuje putanju koja predstavlja konturu presjeka trenutnog sloja materijala. Laserskom zrakom upravlja računalno upravljana glava D. Ova glava sastoji se od sustava ogledala i upravljanih elektromotora kojima se kontrolira položaj ogledala u svakom trenutku. Položaj ogledala upravljan je sadržajem CAD datoteke modela koji se proizvodi. Nakon što je laserska zraka obišla cijelu površinu jednog sloja materijala, radni stol se spušta za debljinu sljedećeg sloja materijala. Postupak se ponavlja sloj po sloj sve dok se ne završi kompletan proizvod. Neki proizvodi imaju takvu geometriju da im pojedini dijelovi moraju imati oslonce tijekom proizvodnje pojedinačnih slojeva. Ovo se rješava 121

132 ručno ili automatski. Nakon završetka procesa proizvodnje, model se vadi iz posude i nosi na sušenje. Prednosti RP postupka stereolitografije su: visoka rezolucija modela, mogućnost izrade dvobojnih prototipova, neograničenost geometrijskih formi modela, potpuna automatiziranost procesa itd. Glavni nedostaci su: ograničen broj upotrebljivih materijala (samo fotopolimeri), prototipovi su slabijih mehaničkih svojstava, potrebna je naknadna obrada prototipova ultraljubičastim očvršćivanjem u peći, pri izradi prototipova potrebni su potpornji prototipa koje treba ukloniti, stezanje fotopolimera pri očvršćivanju može uzrokovati pojavu naprezanja i deformacija i što je poseban problem, fotopolimer je otrovan u tekućem stanju. Kada su materijali u pitanju u postupku SLA najčešće se koriste razne vrste fotopolimera na bazi epoksida (Watershed, Somos, Accura ) Stereolitografija je općenito postupak brze izrade prototipa koji daje najveću preciznost i najbolju kvalitetu finalne površine od svih tehnologija brze izrade prototipa. Dalja istraživanja kreću se u području razvoja materijala koji se mogu koristiti za izradu modela korištenjem ove tehnologije Selektivno lasersko sinteriranje Selektivno lasersko sinteriranje (engl. Selective Laser Sintering SLS) je proces trodimenzionalnog printanja na bazi tehnologije sinteriranja, a komercijaliziran je proizvodima tvrtke 3D systems. Postupak je patentiran godine. Laserska zraka CO2 lasera usmjerava se na materijal (u obliku finog praška) koji se uslijed visoke temperature kojoj je izložen sinterira. To znači da se pod visokom temperaturom između čestica praha povećava adhezija, tako da se prah grupira u veću krutu tvar točno određenog oblika. Fizikalne karakteristike produkata stvorenih sinteriranjem mogu se lako mijenjati promjenom gustoće, stvaranjem 122

133 legura ili daljnjim pečenjem. Finalni proizvod može biti i mnogo čvršći nego onaj napravljen konvencionalnim metodama. SLS tehnologija slično 3D printerima također proizvodi model u slojevima koji mogu biti tanki i do nekoliko tisućitih dijelova milimetra. Prah se pomoću rotirajućeg cilindra doprema u komoru za modeliranje. Sav neiskorišteni višak praha koji izlazi van gabarita modela ujedno služi i kao potpora konstrukciji pa nema potrebe za dodatnim potpornim materijalima i strukturama. Svi plinovi koji se tijekom procesa oslobađaju prolaze kroz sustav filtera, tako da ova tehnologija nema negativnih svojstava po okoliš. SLS se kao RP tehnologija, ovisno o izboru materijala može smatrati i rapid tooling ili rapid manufacturing tehnologija, budući da je njome moguće napraviti ne samo modele i prototipe, već i posve funkcionalne finalne proizvode. Proizvode napravljene ovom tehnologijom krasi iznimno velika stabilnost, čvrstoća i trajnost. Većina proizvedenih modela je spremna za upotrebu već nakon minimalne obrade i čišćenja bez potrebe za daljnjim "pečenjem". Proces SLS vjerojatno ima najveći raspon dostupnih materijala, budući da se većina metala može sinterirati. Ovaj proces je osobito primjenjiv na čistim metalima proizvedenim u izoliranim uvjetima. Osim metala i mnogi nemetali su pogodni za sinteriranje, kao što su staklo ili različiti organski polimeri. Iako su SLS pisači mnogo veći, skuplji i kompliciraniji za upotrebu od klasičnih ''3D print'' inkjet pisača, proces SLS je našao svoje mjesto u proizvodnim poduzećima jer su modeli koje on izrađuje iskoristivi u stvarnim uvjetima rada. Na sljedećoj slici prikazana je shema SLS procesa izrade RP modela i proizvoda. 123

134 Slika Shema SLS postupka za brzu izradu prototipova [11] SLS postupak brze izrade prototipa je sličan postupku stereolitografije. Laserska zraka ocrtava konturu po površini termoplastičnog materijala A. Materijal je u prahu i u slojevima se nanosi valjkom B u cilindar C. Klip D se svaki put pomjera prema dolje za debljinu sljedećeg sloja. Materijal se nanosi iz rezervoara E. Toplina laserske zrake tali materijal na mjestima gdje zraka prolazi, a što je upravljano računalno vođenim sustavom F. Cijeli postupak je zatvoren u kućištu i provodi se na temperaturi koja je nešto niža od točke taljenja plastičnog praha. U kućište se uvodi atmosfera nitrogena kako bi se spriječila mogućnost eksplozije. Pri proizvodnji modela nije potreban suport modelu iz razloga što kao suport služi sami prah materijala od kojeg se model proizvodi. To je zapravo neiskorišteni prah koji se poslije završetka postupka vraća nazad u rezervoar za buduće korištenje. Ovaj postupak je brži od postupka stereolitografije. Ipak kvaliteta površine modela nije jednaka onoj koju 124

135 nudi stereolitografija. Budući da je model nastao sinteriranjem, on je porozan i ovisno o namjeni modela može se pojaviti potreba za popunjavanjem modela s dodatnim materijalom kako bi se poboljšale mehaničke karakteristike. Posljednjih godina dosta se radi na razvoju ove metode i unapređenju kvalitete površine i smanjenja poroznosti modela. Ova metoda također se koristi i za direktnu izradu metalnih i keramičkih proizvoda pa čak i alata. Glavne prednosti ovog postupka ogledaju se u tome što su dijelovi boljih mehaničkih svojstava od onih izrađenih stereolitografijom, dijelovi se mogu koristiti za funkcionalna ispitivanja, sam postupak je brži od postupka stereolitografije, moguća je primjena većeg broja materijala, nije potreban potporanj jer višak praha podupire prototip, neupotrijebljeni prah se može koristiti za sljedeći prototip, bolja je obradivost izrađenih dijelova u odnosu na stereolitografske dijelove i mala su zaostala naprezanja u modelu. Najvažniji nedostatak je lošija kvaliteta površine u odnosu na stereolitografske dijelove, a isto tako nedostatak je i to što je pri korištenju nekih materijala potrebna zaštitna atmosfera radi pojave otrovnih plinova tijekom samog procesa. Laserska tehnologija oblikovanja praha (Laser Engineered Net Shaping - LENS) je još jedna od tehnologija oblikovanja praha laserom. Razlika između LENS i SLS tehnologije je u tome što se kod metode LENS prah dodaje koaksijalno u fokus laserske zrake velike snage. Laserska zraka putuje kroz centar glave i fokusirana je na malu točku pomoću jedne ili više leća. Stol na kojem se formira objekt pomjera se po x y osima i tako nastaje sloj po sloj modela. Glava se pomiče vertikalno nakon završetka svakog sloja. Metalni prah se dovodi kroz glavu ili uz pomoć gravitacije ili uz pomoć plina pod tlakom kao prijenosnika. Često se u ovom procesu koristi inertni plin kao zaštita vrha glave od kisika iz atmosfere gdje se proces topljenja odvija. Inertni plin se koristi radi bolje kontrole procesa kao i radi poboljšanja adhezijskih svojstava između slojeva. U LENS tehnologiji je moguće iskoristiti veliki broj različitih vrsta materijala. 125

136 Najčešći materijali u upotrebi su nehrđajući čelik, bakar, legure aluminija i sl. Naročito interesantni materijali za postupak LENS su reaktivni materijali kao što je titan. Materijale koji učestvuju u procesu moguće je mijenjati tijekom samog postupka tako da na kraju možemo imati proizvod sastavljen od više različitih materijala. Snaga ove tehnologije leži u njenoj sposobnosti da proizvodi metalne dijelove bez šupljina sa dosta dobrom strukturom u razumnom vremenskom roku. Površina komada dobivena ovim postupkom je dosta dobra iako je ponekad potrebna dorada kada se radi o komadima koji zahtijevaju visoku točnost dimenzija. SLS i LENS su jedini danas prisutni postupci Rapid Prototyping tehnologija pomoću kojih je moguće direktno proizvoditi metalne dijelove. Metoda LENS se može koristiti također i za popravak oštećenih dijelova kao i za proizvodnju novih dijelova od metala. Slika Shema LENS postupka za brzu izradu prototipova [11] 126

137 Slika 2.28 prikazuje shemu LENS postupka za brzu izradu prototipova. Laser velike snage koristi se da rastali materijal koji se dovodi koaksijalno u fokus laserske zrake u glavi C. Laserska zraka prolazi kroz centar glave i koncentrirana je u jednoj točki pomoću sustava leća B. Radni stol D vrši računalno upravljane kretnje u ravni x-y. Kompletna glava se pomjera vertikalno pri izradi svakog sljedećeg sloja na modelu, odnosno proizvodu. Materijal je u prahu i nalazi se u rezervoaru A iz kojeg se dovodi gravitacijskim postupkom ili uz pomoć plina pod tlakom G u glavu stroja. U nekim slučajevima potrebno je u glavu dovesti i inertni plin F radi zaštite rastaljenog materijala od kojeg se izrađuju slojevi modela odnosno proizvoda Taložno očvršćivanje Brza izrada prototipova postupkom taložnog očvršćivanja (engl. Fused Deposition Modeling FDM) je proces brze izrade prototipova razvijen u tvrtki Stratasys u SAD-u. U ovom procesu se koriste samo polimerni materijali kao što su: ABS plastika (akrilonitril butadien stiren), E20 (elastomer na bazi poliestera), vosak za precizno lijevanje itd. ABS je veoma poželjan materijal za izradu modela zbog toga što je tvrd, izdržljiv i nisko toksičan. Poznat je kao materijal koji se koristi za izradu igračaka Lego kockica. Lako se može bojiti, a uobičajeno je da se upotrebljava u originalnoj bijeloj boji. FDM stroj zagrijava ABS da bi ga omekšao i kada je ekstrudiran počinje se hladiti, skrućuje se i lijepi za sloj ispod. Zbog toga što je materijal ispočetka mek svi dijelovi koji "vise" moraju imati izgrađenu neku vrstu potpore ispod sebe koja se nakon završetka čitavog procesa uklanja. FDM strojevi grade jako precizne modele koji mogu biti korišteni u razne namjene. Na koloturu je namotana nit od polimernog materijala koja ulazi u mlaznicu za ekstrudiranje. Mlaznica je grijana tako da u njoj dolazi do rastaljivanja materijala, a također postoji mogućnost regulacije količine ispuštenog materijala. Na slici 31. prikazan je shema FDM stroja za brzu izradu prototipova. Plastična nit, prečnika 1/16 inča se odmotava sa namotaja A i osigurava materijal za ekstruzijsku mlaznicu B. Mlaznica je ugrijana tako da se plastična nit rastali u tečnu plastiku. Ovaj 127

138 postupak je računalno upravljan tako da je tok rastopljene plastike kontroliran. Također je računalno kontrolirano i kretanje cijele glave C s mlaznicom u X, Y i Z pravcu. Glava sa mlaznicom kreće se po radnom stolu D po željenoj putanji čime se opisuje geometrija aktualnog sloja. Radni stol se nakon završetka izrade jednog sloja pomjera na dolje za debljinu sljedećeg i postupak se ponavlja do završetka cijelog proizvoda. Plastika očvršćuje odmah nakon ubrizgavanja iz mlaznice i formira potrebni sloj. Cijeli sustav smješten je u termičko kućište sa radnom temperaturom koja je nešto niža od točke taljenja plastike, što osigurava bolju kontrolu cijelog procesa. Slika Shema FDM postupka za brzu izradu prototipova [11] U zadnje vrijeme uvode se i drugi materijali kao polikarbonati, zatim razni drugi materijali koji omogućuju još bolje karakteristike modela u pogledu čvrstoće i temperaturne postojanosti. U razvoju je također i primjena keramičkih i metalnih materijala. 128

139 Ova RP metoda omogućuje potpuno tih i praktično uredski rad RP strojeva. Pogodna je za izradu malih dijelova i modela. Izrada malih dijelova, bez nutrine i s tankim zidovima je brza. Vrlo je spora izrada dijelova i modela s velikim poprečnim presjecima. Ova metoda omogućuje izradu dijelova i modela veće čvrstoće. Glavne prednosti postupka taloženja rastaljenog materijala su: manja potrošnja energije, ne koristi se laserski snop, nema posebnih zahtjeva za ventilacijom i hlađenjem, jednostavna je primjena, relativno je niska investicija u uređaj kao i niski troškovi održavanja, postoji mogućnost izrade više prototipova istovremeno, FDM uređaj je malih dimenzija, materijali nisu otrovni i nema iskrivljenja prototipova. Nedostaci se ogledaju u tome što je funkcionalnost prototipova ograničena izborom materijala, relativno je mali broj komercijalno raspoloživih materijala, nužna je primjena potpornja i vidljive su linije između slojeva Laminiranje Izrada prototipova laminiranjem (engl. Laminated Object Manufacturing - LOM) je proizvodni proces u kojem se pomoću CO2 lasera kreiraju pojedinačni slojevi trodimenzionalnog predmeta. Kao materijal koji se koristi za izradu slojeva najčešće je to papir zatim razni polimerni i kompoziti. Najčešće je to ipak papir preko kojeg se nanosi sloj polietilena. Prvi korak u samom procesu je izrada baze na radnom stolu na kojoj će se izgraditi 3D model. Ovaj postupak se radi tako što se na platformu radnog stola lijepi specijalna ljepljiva traka. Papir se doprema pomoću para grijanih valjaka. Kako papir prolazi, vrelom parom se grije polietilenska obloga sa donje strane papira tako da se svaki novi sloj lijepi na prethodni. Nakon što valjci postave dio "beskonačne trake" na poziciju za isijecanje, laserska zraka obilazi i siječe vanjsku i unutarnju rubnu liniju svakog pojedinačnog sloja. Nakon završenog isijecanja glavne konture sloja, laser isijeca kocke ili slične strukture koje će pružati potporu osnovnom komadu tijekom procesa izrade. Potpora se poslije završenog procesa 129

140 uklanja. Nakon što je dio izgrađen potrebno ga je skinuti sa platforme LOM stroja na kojoj je formiran. Pošto je gotovi model zalijepljen za platformu za njegovo odvajanje se koristi metalna žica. U sličnom procesu kao što je piljenje drveta pilom, metalna žica se pomjera lijevo, odnosno desno kako bi se dio odvojio. Slijedeći korak je uklanjanje potpore. Često je dovoljno samo protresti komad pa da bi se potpora odvojila, ali ponekad je potrebno upotrijebiti i jednostavan alat kao što je odvijač i sl. Slijedeći korak je pjeskarenje i lakiranje modela, budući da je objekt napravljen LOM tehnologijom i od papira osjetljiv je na vlagu i promjenu temperature. LOM tehnologija ima mnogo prednosti ali i neke nedostatke u odnosu na ostale tehnologije brze izrade prototipa (RP). Pošto laser isijeca samo vanjske konture svakog sloja proces je brži od ostalih postupaka RP. Ta prednost naročito dolazi do izražaja kod proizvodnje velikih modela. Postupkom LOM se mogu napraviti veoma komplicirani objekti i cijena koštanja materijala kod ovog postupka nije prevelika. Osnovni nedostatak LOM procesa je relativno mala čvrstoća dobivenih modela kao i problemi sa usklađivanjem dužine zagrijavanja pojedinih slojeva prilikom lijepljenja. Princip rada uređaja za brzu izradu prototipa temeljenog na LOM tehnologiji prikazan je na slici Papir se odmotava sa valjka A i vuče preko prethodnog sloja uz pomoć zagrijanog valjka B. Valjak B zagrijava ljepilo na donjoj strani papira. Laserska zraka uz pomoć računalno vođenog sustava ogledala C, obilazi konturu i izrezuje sloj papira koji predstavlja trenutni presjek modela, odnosno proizvoda. Obavezna je uporaba sustava za filtriranje zraka E. Nakon što je završeno sječenje konture trenutnog sloja, višak papira se namotava na drugi valjak D i pri tome se istovremeno navlači sljedeći sloj papira sa valjka A. 130

141 Slika Shema LOM postupka za brzu izradu prototipova [11] Kvaliteta ovako izrađenih model nije na razini kakvu nude druge metode brze izrade prototipa, ali može biti korisna i ima svoju primjenu u kreiranju raznih modela objekata i proizvoda u raznim područjima inženjerstva. Prednosti LOM postupka ogledaju se u nižoj cijeni u odnosu na ostale spomenute postupke izrade prototipova zbog primjene jeftinijih materijala, zatim u mogućnosti proizvodnje velikih dijelova, u relativno velikoj brzini postupka. Također prednost su i male dimenzije uređaja koji se može instalirati u običnom uredu, nije potreban potporanj izratka, nema pojave zaostalih naprezanja u prototipu. Glavni nedostaci su u nešto manjoj točnosti u odnosu na ostale postupke brze izrade prototipova, zatim u anizotropnosti i hidroskopnosti materijala prototipa. Nedostatak je i u nužnom lakiranju prototipa da bi se izbjeglo upijanje vlage i time promjena dimenzija, zatim funkcionalnost prototipova je ograničena uskim izborom materijala, traženu višu 131

142 kvalitetu površine treba postići dodatnom završnom strojnom obradom i velik je udio otpadnog materijala D ispis 3D ispis (3D printing 3DP) pojam je koji se odnosi na tehnologiju 3D ispisa i čitavu klasu strojeva koji za svoj rad koriste tzv. ''Ink-jet'' tehnologiju konvencionalnih pisača. Prvi takav pisač bio je 3DP (3D Printing) razvijen na američkom sveučilištu Massachusetts Institute of Technology (MIT). 3D printeri kompanije Z-Corporation su jedni od najpopularnijih ove vrste. Ova metoda koristi veoma jeftin materijal, radi relativno brzo i nema potrebu za posebnim kontroliranim uvjetima rada. Negativna osobina ove tehnologije je da modeli proizvedeni na ovaj način nisu čvrsti kao modeli proizvedeni nekim drugim tehnikama brze izrade prototipova. Modeli proizvedeni na ovaj način ne mogu služiti kao mehaničke zamjenske komponente strojeva i uređaja. Ali usprkos tome modeli izrađeni na ovaj način pružaju veoma dobru kvalitetu, visoko detaljizirane objekte koji su idealni za dizajnerske timove i ocjenu od strane klijenata. S njima se može dosta grubo postupati, njihova površina može biti glatka i mogu se naknadno bojiti. Ovako izrađeni objekti mogu također sadržavati odvojene unutarnje dijelove. Princip rada 3D pisača kao uređaja za brzu izradu prototipa je slijedeći (Slika 2.31): kao i svaki drugi proces za brzu izradu prototipova, i proces 3D ispisa počinje od CAD modela koji se dijeli u slojeve uz pomoć posebnih računalnih aplikacija. Uz pomoć ovih aplikacija dobiva se niz detaljnih podataka o svakom sloju. Valjak (D) nanosi precizno određeni tanki sloj materijala u formi finog pudera iz rezervoara za dodavanje praha (E) na platformu predviđenu za izgradnju objekta (B). Nakon toga računalno upravljana višekanalna ink-jet glava (A) putuje preko tog sloja (kao kod ink-jet pisača) prskajući tekućinu (određena vrsta ljepila) koja skrućuje puder. Tamo gdje je tečnost nanesena puder se skrućuje. Kad je jedan sloj završen cijeli proces nanošenja pudera i prskanja tekućine se ponavlja, pri čemu klip u proizvodnom cilindru (C) spušta proizvodni objekt za visinu jednog sloja a u isto vrijeme klip u rezervoaru praha se podiže istiskujući 132

143 novu količinu praha pod valjak za nanošenje praha (D). Sloj po sloj model biva izgrađen od dna do vrha. Materijal može biti u formi pudera ili brašnaste supstance. Model se radi tako da nestvrdnuti prašak od prethodnog sloja pruža potporu modelu i drži ga na mjestu dok se slijedeći sloj nanosi. Nakon izgradnje modela neiskorišteni puder se skuplja i kasnije može biti ponovo iskorišten. Većina sustava za ovakvu slojevitu gradnju objekata zahtijeva privremenu potporu dijelovima konstrukcije tijekom gradnje 3D modela. Ta potpora se izvodi u obliku privremenih podupirača ili nekih sličnih formi potpore što je potrebno kako bi se model, koji postaje sve veći kako proces odmiče, zadržao na jednom mjestu. Ako bi u tijeku izgradnje modela došlo do njegovog pomicanja on bi postao neupotrebljiv zbog gubitka osnovnog oblika. To znači da se, nakon što se proces izgradnje završi, podupirači trebaju ukloniti ručno ili se uz pomoć određenih pomagala trebaju odvojiti od osnovnog modela i mjesta na kojima su bili pričvršćeni. Nakon toga se moraju dodatno obraditi i polirati. Slika Shema procesa 3D ispisa [11] 133

144 Kod 3D pisača ovo nije slučaj jer kao što se vidi na slici prah koji nije učestvovao u izgradnji modela pruža potporu modelu i drži ga čvrsto u stabilnom položaju. Kako "raste" model "raste" i njegova potpora u vidu ne skrućenog praha. Ovo omogućuje da se postupkom trodimenzionalnog ispisa mogu izrađivati dijelovi vrlo složenih oblika, što naročito pogoduje konstruktorima koji zbog toga imaju potpunu slobodu prilikom dizajniranja proizvoda. Nakon završetka procesa izgradnje objekta prah se lako uklanja uz pomoć ugrađenog sustava zraka pod tlakom, a fino čišćenje se izvodi pomoću dodatnog mlaza stlačenog zraka. Potrebno je napomenuti da se cijeli proces čišćenja odvija u za to predviđenoj komori i da čišćenje 3D modela nema utjecaj na okoliš gdje je 3D pisač postavljen. Postoje i neke varijacije na ovu temu kao što su Thermo-jet ili Multi-jet pisači koji koriste linearnu mrežu ispisnih glava. Vrlo precizni su i Model Marker Ink-jet pisači koji koriste dvije sapnice: jednu za polaganje termo plastike kao građevnog materijala a drugu za polaganje voska kao potpornog materijala. Svaki sloj se izravnava pomoću alata za rezanje prije ponavljanja procesa za slijedeći sloj. Postupak trodimenzionalnog ispisa, osim za brzu izradu prototipova, koristi se i za proizvodnju te izradu alata. Ukoliko se ovim postupkom izrađuju prototipovi, kao materijal se koriste prahovi od plastomera. U slučaju izrade funkcionalnih dijelova, koriste se metalni, keramički ili kompozitni prahovi. Glavne prednosti ovog RP postupka ogledaju se u mogućnosti da se jednako uspješno mogu izrađivati prototipovi, funkcionalni dijelovi i alati vrlo složenih oblika, postupak izrade je vrlo fleksibilan, materijali su uglavnom neotrovni, preciznost izrade je visoka, vrlo je glatka površina izrađenih dijelova i alata. Ključni nedostaci su u ograničenim dimenzijama izratka, ograničen je broj materijala od kojih se izrađuju modeli, a također je ograničena i brzina izrade modela. 134

145 5.7. Hibridni PolyJet postupak Hibridni postupak poznat pod nazivom PolyJet je zapravo kombinacija SLA i 3DP postupaka. Ovaj postupak koristi klasičnu tehnologiju ispisa kakvu imaju uredski pisači. Umjesto tinte koriste fotoosjetljivu akrilnu smolu i pri ispisu nanose sloj debljine 0,016 mm. 3D ispis moguć je i za gumene materijale, prozirne materijale, a danas se taj asortiman materijala širi sve više. Kod izrade modela česta je potreba za izradom raznih potpornih elemenata. Oni se na ovakvim uređajima izrađuju istovremeno s modelom, ali obično od nekog gelastog materijala koji se kasnije uklanja mlazom vode pod tlakom. 135

146 6. LITERATURA 1. Mahindru, D.V. & Mahendru, P. Review of Rapid Prototyping Technology for the Future, Global Journal of Computer Science and Technology, Vol.13, Issue 4, Global Journals Inc., Šimunić, N., Groš, J. & Medić, S., Razvoj novog proizvoda pomoću tehnologije brze izrade prototipova, Technical Journal, 7, 2(2013), pp , ISSN Stroud, I., Nagy, H., Solid Modelling and CAD Systems, How to Survive a CAD System, Springer-Verlag, Chen, Y., Computer Aided Design for Rapid Tooling: Methods for Mold Design and Design for Manufacture, Georgia Institute of Technology, Tornincasa, S., Di Monaco, F., The Future and the Evolution of CAD, 14th International Research/Expert Conference ''Trends in the Development of Machinery and Associated Technology'', TMT 2010, Mediterranean Cruise, September Drstvenšek, I., Brajlih, T., Additive Manufacturing in Practical Use, 17th International Research/Expert Conference ''Trends in the Development of Machinery and Associated Technology'', TMT 2013, Turkey, September Rosen, D. W., Design for Additive Manufacturing: A Method to explore unexplored regions of the design space, Georgia Institute of Technology, Topcu, O., Tascioglu, Y. & Unver, H.O., A Method for Slicing CAD Model sin Binary STL Format, 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS' 11), 6-11 May 2011, Elazig, Turkey. 9. Eragubi, M., Slicing 3D CAD Model in STL Format and Laser Path Generation, International Journal of Innovation, Management and Technology, Vol. 4., No Obad, M. Dizajn proizvoda uz podršku računala, Sveučilište u Mostaru, Obad, M., CAD/CAM tehnologije, Sveučilište u Mostaru,

147 12. Obad, M., Primjena informacijskih tehnologija u reinženjerstvu i razvoju proizvoda, Zbornik radova okruglog stola ''Unapređenje proizvodnje primjenom reinženjeringa u cilju jačanja konkurentske sposobnosti poduzeća'', Tuzla 2014, ISBN , Sveučilište u Mostaru, Fakultet strojarstva i računarstva, Mostar, Hiller, J. Lipson, H., Design and analysis of digital materials for physical 3D voxel printing, Rapid Prototyping Journal, 15/2, , ISSN , Ajay, K. D., An Investigation on the Printing of Metal and Polymer Powders using Electrophotographics Solid Freeform Fabrication, Master thesis, University of Florida, Reeves, P., Additive Manufacturing A supply chain wide response to economic uncertainty and environmental sustainability, Econolyst Limited, The Silversmiths, Crown Yard, Wirksworth, Derbyshire, DE4 4ET, UK, Heynick, M., Stotz, I., 3D CAD, CAM and Rapid Prototyping, LAPA Digital Technology Seminar, Bagaria, V. et all., Medical Applications of Rapid Prototyping A New Horizon, Journal Advanced Applications of Rapid Prototyping Technology in Modern Engineering, Dr. M. Hoque (Ed.), ISBN , InTech, Kamrani, K. A., Nasr, E. A., Rapid Prototyping: Theory and Practice, ISBN , Springer Science+Business Media, Dong, J., Rapid Response Manufacturing, Contemporary methodologies, tools and technologies, ISBN (ebook), Springer Science+Business Media, Gibson, I., Rosen, D. W., Stucker, B., Additive Manufacturing Technologies Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing, ISBN (ebook), Springer Science+Business Media, Rašović, N. & Obad, M., (2013) Layered Manufacturing Process Supported By Expert System. Machine Design. 5(2): p

148 22. Rašović, N., Kaljun, J., Novak, M., Dolšak, B. & Obad, M., Metodologija vrednovanja CAD modela u cilju optimiranja debljine sloja za slojevitu izradu. Zbornik radova Fakulteta strojarstva i računarstva Sveučilišta u Mostaru, Mostar, p , Rašović, N., Inteligentna potpora odlučivanju u procesu dizajna proizvoda predviđenih za proizvodnju postupcima slovjevite izrade : Doktorska disertacija, Sveučilište u Mostaru: Fakultet strojarstva i računarstva, Mostar, HD3D-car-300dpi.jpg / Professional_Box_Color_CCD_Camera_with_OSD_Function.jpg pressrelease/2012/healthcare/imaging-therapysystems/him htm&content[]=him&content[]=hcim messtechnik-gmbh/crankshaft-coordinate-measuring-machine html metrology/coordinate-measuring-machine-cmm-horizontal-arm html

149 39. Podrucja-primjene-aditivnih-tehnologija-u-industriji-u godini.jpg 139

150 140

151 3 METODE OPTIMIZACIJE U POSTUPKU SLOJEVITE IZRADE Nebojša Rašović, Sveučilište u Mostaru Fakultet strojarstva i računarstva Suvremeni način izrade proizvoda, pored primjene novih tehnologija, zahtijeva i provedbu opsežne analize i detaljan pristup u razvoju dizajna modela proizvoda. Dobar dizajn ne garantira uspjeh proizvoda u eksploataciji, ali zasigurno nudi mogućnosti za stvaranje dobre podloge u cilju visoke konkurentnosti na tržištu. Put koji dizajner prelazi od ideje do realizacije, traži odgovore na mnoge probleme koji prate taj put. Kvaliteta tih odgovora mjeri se količinom informacija koje dizajner u trenutku razvoja posjeduje. Veći broj eksperata iz raznih oblasti stvara mogućnosti generiranja veće količine informacija. Međutim, veći broj eksperata stvara i veće troškove, pa se onda u tim uvjetima postavlja pitanje isplativosti razvoja novog proizvoda. U takvim okolnostima, nameće se pitanje kreiranja alata za potporu odlučivanju u procesu dizajna proizvoda predviđenih za proizvodne postupke. Za dobivanje jednog takvog alata, korišteni su sistemi temeljeni na znanju, odnosno razvijen je inteligentni modul ekspertnog sistema za podršku slojevitoj izradi objekata, koja predstavlja suvremeni način proizvodnje kroz nekonvencionalne metode. Ključ razvoja inteligentnog modula leži u bazi znanja, čija se kvaliteta ogleda kroz količinu pohranjenih informacija. Njeno djelovanje se uvezuje sa mehanizmom zaključivanja, koji koristeći proceduralni tijek egzekucije sistema, nudi pomoć u vidu ciljnih rješenja ili preporuka. Analiza dizajna modela proizvoda, tretiranog kroz težinske faktore i stvaranje preduvjeta za odabir optimalnih parametara za postupak slojevite izrade, predstavlja izniman alat u sferi djelovanja ekspertnog sistema kao inteligentnog računalnog programa za potporu odlučivanju. 141

152 1. PROBLEMI I OGRANIČENJA U POSTUPKU SLOJEVITE IZRADE Tehnologije slojevite izrade (Eng. Layered Manufacturing), kao nekonvencionalne proizvodne metode [1, 2], imaju veoma široku primjenu u skoro svim sektorima industrije [3-6]. Primjena ide od razvoja novog proizvoda [7], gdje se najčešće kreira prototip u cilju provođenja sveobuhvatnih inženjerskih analiza, pa do proizvodnje već gotovih funkcionalno svrsishodnih dijelova. Kao i sve druge, tehnologija slojevite izrade ima svoje izrazite prednosti koje je karakteriziraju i izvode u prvi plan kada je u pitanju proizvodnja veoma složenih i kompleksnih komponenti. Činjenica da sve što se može kreirati tehnikom 3D parametarskog modeliranja u nekom od vodećih softverskih paketa, može se i izraditi aditivnim tehnologijama (Eng. Additive Technologies). Upravo ova činjenica pomaže inženjerima da svoje ideje brzo pretoče u realizaciju i isto tako na brz način ispitaju sve dobre i loše strane jednog proizvoda. Međutim, mnogo je problema koji prate ovu tehnologiju, kao i sam proces izrade. Tipovi problema prije svega ovise o primjenjenoj metodi slojevite izrade. To može ovisiti o materijalu kojeg ta metoda koristi, načinu kreiranje slojeva, ili o potrebi za korištenjem potporne strukture. Bez obira na sve različitosti, zajednički princip rada temelji se na CAD/CAM procesuiranju/razmjeni podataka [8], koji je zapravo isti za sve metode slojevite izrade. Taj proces uključuje sječenje 3D CAD modela u seriju 2D slojeva, koji gledano iz gornje perspektve predstavljaju konture modela. Kod procesa stvaranja odsječaka, problemi se klasificiraju postupkom koji se primjenjuje za njihovo dobivanje. Najjednostavniji postupak je nepromjenljivo ili konstantno sječenje (Eng. Uniform Slicing), gdje visina slojeva ostaje nepromjenjena. Loša strana ovog postupka je ta što proces ne prepoznaje geometriju modela i bez obzira na složenost ili jednostavnost te geometrije, model se sječe istim visinama slojeva. To u konačnici doprinosi tome da kvaliteta izrade i 142

153 brzina izrade postaju dva nespojiva i dijametralno suprotna kriterija, koja je skoro pa nemoguće istovremeno uključiti pri izradi modela. Vrlo brzo se prešlo na prilagođeni postupak sječenja (Eng. Adaptive Slicing), koji dopušta promjene u visini sloja u odnosu na složenost geometrije modela. Drugim riječima, dio modela koji je predstavljen kuboidnim ili kockastim volumenom, što predstavlja svakako jednostavnost u geometriji, visina sloja može biti izrazito velika, dok dio modela koji je predstavljen stožastim ili sfernim volumenom, gdje dolazi do određene zakrivljenosti konfiguracije, visina sloja može biti izrazito mala. Time se zadovoljava gorući problem istovremenog uključivanja i kvalitete i brzine izrade kao ključnih kriterija. Ovakav pristup je omogućio ekspanziju aditivne tehnologije kao nekonvencionalnog pristupa u proizvodnji dijelova namjenjenih širokoj eksploataciji. Uobičajeni postupak izrade proizvoda započinje ulaznim podatcima koji predstavljaju matematičke formulacije geometrijskih entiteta, zapisane unutar vektorskog formata. Dakle, može se reći da je 3D CAD model proizvoda osnova i polazište za sve stvari koje su vezane za aditivnu tehnologiju, jer CAD model kao takav, je u biti slikovito sučelje između računala i računalno upravljanog stroja. To dovodi do značajnog smanjenja proizvodnog veremena, kao i pogrešaka koje se javljaju tijekom procesa. Tehnike površinskog modeliranja, a potom i čvrstog modeliranja su poticale razvoj proizvodnog procesa ovisnog o računalnom upravljanju. Stoga je slojevita izrada kao tehnologija nastala upravo zbog sposobnosti predstavljanja objekata u trodimenzionalnom koordinatnom sistemu. Budući su računala izravno povezana sa strojevima i upravljaju nad svim operacijama koje se provode, neophodno je razumjeti načine procesuiranja i pohrane informacija kada je u pitanju preciznost, brzina, kvaliteta i cijena izrade. Predstavljanje objekata putem CAD formata u izravnoj je ovisnosti o kapacitetima i sposobnosti računalnog hardware-a. Moderna računala imaju dovoljan kapacitet za pohranu takvih formata koji u sebi nose informacije zapisane putem konstruktivne čvrste geometrije (Eng. Constructive Solid Geometry, CSG) i graničnog prikaza (Eng. Boundary Representation, B-rep). Ova dva 143

154 formata za prikaz čvste geometrije crpe velike memorijske i grafičke resurse modernih računala. Konstruktivna čvrsta geometrija (CSG) omogućuje primjenu Boolean-ovih pravila (združivanje, presjek, oduzimanje ) nad geometrijskim osnovnim tijelima, poput kocke, cilindra, stožca Prednost ove tehnike leži u tome da se sa pohranjenom količinom informacija jednostavno upravlja, a da su dobivena čvrsta tijela fizički validna i lagana za provođenje izmjena u pogledu oblika samog čvrstog tijela. Njihovi nedostatci su ograničen broj operacija dostupnih za kreiranje ili izmjene čvrstih tijela, kao i računalne poteškoće pri generiranju slika, budući da granični elementi čvrstog tijela (stranice, rubovi) nisu eksplicitno dostupni. Granični prikaz (B-rep) nedvosmisleno predstavlja čvrsto tijelo, opisujući njegove površine u smislu vrhova, rubova i ploha. Glavna prednost graničnog prikaza jeste mogućnost brzog skiciranja čvrstog ili žičanog modela. Njegovi nedostatci su velike strukture podataka (u formi tablica), što zahtjeva značajne memorijske resurse. Nadalje, izmjene u dizajnu načinjene graničnim prikazom nisu tako jednostavne poput onih koje su načinjene u konstruktivnoj čvrstoj geometriji, iz razloga što najjednostavnija promjena u veličini rupe unutar kocke, može zahtijevati najprije uklanjanje rupe i njeno ispunjavanje materijalom, a zatim kreiranje potpuno nove rupe odgovarajućih dimenzija. Isto tako, čvrsta tijela kreirana korištenjem graničnog prikaza nisu uvijek fizički validna. Takva tijela mogu na sebi imati određene procjepe u vidu pukotina, tako da prikazi i nisu nužno jedinstveni. Kada su čvrsta tijela sa površinama slobodnog oblika (Eng. Free Form Surfaces) uključena u dizajn, tradicionalna primitivna tijela postaju beskorisna. Razvijene su razne matematičke tehnike za predstavljanje slobodno oblikovanih krivulja i površina. One uključuju parametarske krive (Eng. Parametric Splines), Bezier-ove krive (Eng. Bezier Curves) i B- krive (Eng. B-Splines). Svi ovi formati omogućuju dizajneru predstaviti krivu slobodnog oblika, koristeći parametarski prikaz u bilo kom koordinatnom sistemu (x, y, z). Razliku između formata čini stupanj 144

155 kontrole nad krivuljama, što zapravo predstavlja mogućnosti izmjene krive na lokalnoj razini, bez utjecaja na susjedne sekcije. Današnji CAD sistemi uglavnom koriste kombinaciju B-rep i CSG formata. Prikazi slobodnih oblika variraju, ali ne-jednoliko razložna B-kriva (Eng. Non-Uniform Rational B-Spline, NURBS) je jedno od najsloženijih prikaza korištenih u vodećim CAD software-skim paketima, kojim se omogućuju lokalne izmjene krive i ekgzaktni prikaz osnovnih tijela ili primitiva. Prikaz elementa (Eng. Cell Representation) se ponekad odnosio na termin drugi format čvrstog modeliranja. Proizašao je iz analize kodova koji su zahtijevali diskretizaciju površina u elementima poput trokutova, kvadrata ili poligona. Budući da je CAD software često prvi korak ka analazi metodom konačnih elemenata, prikaz elementa je često dostupan format zajedno sa ostalim formatima za prikaz. Činjenično gledano, teselacija (Eng. Tessellation) koja je dio procesa u sistemu slojevite izrade (STL format) je u formi prikaza elementa na površini čvrstog modela. Za provedbu slojevite izrade, prevođenje CAD podatka u upravljačke naredbe sistema slojevite izrade, razvija se iz prethodno opisanih prikaza. Dodatni korak u cijelom procesu čini generiranje višestrukih odsječaka izvornog CAD modela u slojeve određene debljine. Upravljački program mora sagledati preciznost CAD prikaza i ispresjecati ga paralelnim ravninama. Presjek, koji mora biti zatvorena kontura serije crta i krivulja, može se koristiti za pokretanje numerički upravljanih lasera i ispisnih glava. U cilju brzine izračuna, budući da upravljački sklopovi većine sistema slojevite izrade koriste vektorske naredbe (crta definirana od točke A [xa, ya] do točke B [xb, yb]), CAD prikazi se pretvaraju u teselacijsku datoteku koja predstavlja skup trokutova, koji čine mrežnu strukturu površine čvrstog tijela. Presjek tih trokutova sa ravninom predstavlja visinu sloja koju je matematički jednostavno dobiti. Vektori dobiveni iz tih presjeka mogu se izravno koristiti za upravljanje sistemom slojevite izrade [9]. 145

156 1.1 STL format STL format [10-13], razvijen od strane Albert Consulting Group za kompaniju 3D Systems, trenutno predstavlja standard za prijenos podataka u sistemima slojevite izrade. Format predstavlja listu ravnih (Eng. Planar) trokutova, gdje je svaki trokut definiran sa tri različita vrha i normalom usmjerenom iz unutrašnjosti objekta prema vani (Slika 3.1). Slika 3.1. STL format [14] STL format uključuje i ASCII i binarnu verziju, koje u stvarnosti nisu potpuno kompatibilne. Nerijetko korištena binarna verzija može prenijeti dodatne značajne informacije, ali većina sistema slojevite izrade ih ne može obraditi. Prema tome, ASCII verzija se u većini slučajeva koristi u proizvodne svrhe. Prednosti STL formata ogledaju se u sljedećem: 146

157 Lako pretvaranje STL format je veoma jednostavan, jer sadrži jedino popis ravnih trokutova. Za pretvaranje 3D modela u trokutasti granični prikaz koriste se standardni površinski trokutasti algoritmi. Jednostavni su, robusni i pouzdani u odnosu na algoritme za stvaranje drugih tipova aproksimirane površine (kao što su opće poligonalne aproksimacije). Također, konačna preciznost se može lako kontrolirati, dok su mogući tipovi degeneracije malobrojni; Širok raspon ulaza Većina 3D prikaza može biti pretvorena u trokutasti granični prikaz, obzirom na široku primjenu dostupnih površinskih trokutastih algoritama. Ova prednost nije prisutna kod većine drugih načina aproksimacije; Jednostavan algoritam sječenja Algoritam za sječenje trokutastog graničnog prikaza je tipično jednostavan (ali ne i nužno učinkovit), jer uključuje jedino obradu liste trokutova. Sve operacije trokutom mogu biti jednostavne i precizne; Mogućnost podjele modela Ako je radna komora, odnosno radni prostor slojevitog stroja nedovoljno velik, model mora biti podijeljen u individualne dijelove, kako bi se radni prostor adekvatno popunio. To se lako postiže trokutastim graničnim prikazom. Treba napomenuti kako sve prednosti STL formata proizlaze iz korištenja trokutastog graničnog prikaza objekta i iz činjenice da je trokut najjednostavniji konveksni poligonalni oblik. Zbog ovih prednosti, STL se često koristi kao format za pohranu graničnih podataka u procesu planiranja i pored njegovog korištenja za prijenos podataka. Nedostatci STL formata se sastoje u sljedećem: Problemi svojstveni trokutastom graničnom prikazu; o Aproksimacija Glavni problem kod trokutastog graničnog prikaza je taj, da zakrivljene površine mogu biti aproksimirane jedino trokutastom strukturom (Slika 3.2). Veliki broj 147

158 trokutastih ravnina daje visoku preciznost aproksimacije, ali to rezultira iznimno velikom veličinom formata. Slika 3.2. STL aproksimacija zakrivljene površine [14] Problemi svojstveni STL formatu; o Veličina formata Veličina STL formata je nepotrebno velika zbog viška informacija unutar njega. Informacija o normali trokutaste ravnine je višak, budući da semantika prikaza dopušta da ona bude izračunata iz redoslijeda vrhova svake pojedine ravnine. Također, većina vrhova se umnožava unutar formata, buduči da pripadaju više nego jednoj ravnini. Bilo bi učinkovitije odrediti svaki od vrhova jednom i zatim napraviti vezu prema njima za svaku posjedovnu ravninu. Ovo bi, također riješilo problem neusklađenosti lokacija vrhova koji su s aspekta logike identični; o Pogreške skraćivanja Koordinate vrhova i komponente normale svake ravnine su predstavljene realnim brojevima sa jednostrukom preciznošću, tako da njihove stvarne vrijednosti bivaju skraćene. U nedostatku topoloških informacija unutar STL formata, pogreške skraćivanja postaju značajne, naročito kada se objekt nalazi daleko od ishodišta; o Nepotpunost STL format nepotpuno opisuje trokutasti granični prikaz iz razloga što topološke informacije nisu 148

159 pohranjene. Ako bi bile prikazane, ove informacije mogu biti korištene za ubrzavanje procesa planiranja zadaća poput sječenja; o Nedosljednost STL format može imati nedosljedne vrijednosti tolerancije, ako je kreiran spajanjem dva različita STL formata. Također, postoji mogućnost pojave pukotina na mjestu presjeka dva spojena STL modela; o Nedosljedne normale Normale ravnina mogu biti zaokrenute i na taj način biti u neskladu s orijentacijom drugih ravnina. Zaokrenute normale površina mogu se pojaviti kada su površine nepravilno definirane u izvornom prikazu (Slika 3.3); Slika 3.3. Zaokrenute normale u nekim ravninama [14] o Nepravilne normale Eksplicitno određene normale ravnina mogu se razlikovati od drugih normala izračunatih preko vrhova ravnina. To se dešava zbog pogrešaka u algoritmu pretvaranja. Problemi pretvaranja u trokutasti granični prikaz; o Pukotine Kod trokutastih ravnina spojenih serijom zatvorenih tankostijenih elemenata koji zatvaraju ili ekstrudiraju neku 149

160 cjelinu, može se pojaviti pukotina uslijed izostanka bar jedne ravnine, što predstavlja jasnu granicu između unutarnjeg i vanjskog objekta. Kada se model sa pukotinama siječe, odsječci sadrže ne-zatvorene konture, tako da očitana vektorska putanja može biti proširena izvan granica željenog objekta (Slika 3.4 i Slika 3.5). Pukotine se mogu pojaviti zbog toga što površine nedostaju u izvornom prikazu. Za takvo loše modeliranje najčešće je odgovoran dizajner; Slika 3.4. Pukotine zbog nedostatka ravnina [14] Slika 3.5. Zalutali vektori zbog nedostatka segmenata konture [14] 150

161 o Unutarnji zidovi Unutarnji zidovi mogu biti generirani zahvaljujući nepravilnim geometrijskim algoritmima za zatvaranje pukotina u trokutastom ravninskom modelu ili nesavršenom rukovanju dizajnera pri konstruiranju površinskih modela. Unutarnji zidovi mogu uzrokovati neočvrsnute granice između područja u materijalu objekta pri izgradnji (Slika 3.6); Slika 3.6. Unutarnji zidovi zbog nepravilnih spajanja objekata [14] o Degenerirane ravnine Ravnine mogu biti degenerirane imajući nulto područje, pa stoga nemaju definiranu površinsku normalu. Postoje dvije vrste degeneriranih ravnina (Slika 3.7): Topološka degeneracija: Dva ili više vrhova ravnine su koincidentni. Budući da to ne utječe na geometriju ili povezivanje sa drugim ravninama, degenerirana ravnina može biti odbačena; Geometrijska degeneracija: Svi vrhovi ravnine su različiti, ali su kolinearni. Ovakva ravnina nema normalu, ali sadrži topološku informaciju o povezanosti susjednih ravnina i ne mogu biti odbačene. 151

162 o Nepravilni presjeci Ravnine se mogu presijecati na pogrešnim mjestima (osim na njihovim rubovima) čime se povećava međusobno prožimanje (Slika 3.8) [14]. Slika 3.7. Degeneracija u STL formatu [14] Slika 3.8. Ne-granični presjek dva trokuta [14] 152

163 1.2 Određivanje visine sloja Radi pojednostavljivanja procesa sječenja i smanjenja opterećenosti računalnog hardware-a, topološke informacije se dodaju u podatkovnu strukturu. Topološka struktura, od vrha prema dnu, uključuje poligone (trokutaste ravnine i konture), rubove i vrhove. Osnovnog člana ove strukture čini informacija o geometriji vrha, odnosno točke. Budući da tehnologija slojevite izrade gradi objekat sloj po sloj (Eng. Layer-by- Layer), krećući se od dna prema vrhu, proces zahtijeva geometriju dvodimenzionalne konture svakog sloja. Proces sječenja se sastoji od sljedeća tri koraka: računsko određivanje presjeka između objekta i horizontalne ravni, sortiranje presječnih točki i formiranje dvodimenzionalnih kontura. Rezultat primjene ovih koraka jeste izrada dijelova, koji na sebi nose pogreške, uzrokovane efektom stubišta (Eng. Staircase Effect). Efekt stubišta se kontrolira visinom vrha (Eng. Cusp Height), čijim reduciranjem se postiže to da se model sječe u tanjim slojevima, što sa druge strane ne ide u prilog vremenu izrade. Kako bi se zadržala konstantnost efekta stubišta, odnosno preciznije rečeno, kako se ne bi značajno mjenjala (povećavala) vrijednost visine vrha na površinama slojevitog modela, postupak prilagođenog sječenja omogućuje uključivanje površinske geometrije pri određivanju debljine sloja za sječenje. Rezultat takvog procesa jesu dvodimenzionalne konture sa varijabilnom debljinom sloja. Određivanje debljine sloja, pored složenosti geometrije STL modela, ovisi i o mogućnostima primjenjene metode slojevite izrade. Promjena visine sloja mora da se izrazi vrijednošću koja se nalazi između maksimalno dozvoljene donje i gornje granične vrijednosti (t min, t max ), što predstavlja limite za definiranje debljine sloja. Kod korisničkog određivanja dozvoljene visine, aktualna visina, jednaka je visini vrha podijeljenoj na z-komponentu vektora jedinične normale trokutaste ravnine. Računski dobivena debljina sloja mora biti veća ili jednaka donjoj graničnoj vrijednosti t min, odnosno ostvaruje se najtanji sloj kojeg sistem slojevite izrade može osigurati. Ukoliko vrijednost debljine prelazi tu najmanju dozvoljenu donju mjeru, 153

164 sistem koristi t min kao zadanu debljinu. Isto ovo pravilo važi i kada je u pitanju gornja granica. Ovim pristupom, postupak prilagođenog sječenja ostvaruje punu kontrolu nad implementiranjem kvalitete u model. Drugi benefit proizilazi iz zaključka da tamo gdje geometriju modela predstavljaju jednoobrazne, vertikalne ili horizontalne površine, debljina sloja se penje na gornju graničnu vrijednost t max, što doprinosi skraćenju vremena izrade. Da bi se pravilno odredila debljina slojeva, neophodno je uzeti u ratmatranje karakteristične probleme koji prate sami proces, a koji su objašnjeni u narednim sekcijama (1.3, 1.4, 1.5) [15]. 1.3 Efekt stubišta Kao što je prethodno navedeno, slojevita izrada se temelji na proizvodnji dijelova tehnikom sloj po sloj. Svaki fizički sloj je dobiven obradom pokretne radne glave po ravnom profilu odsječka. Kao rezultat toga, svi dijelovi proizvedeni na ovaj način pokazuju problem efekta stubišta u pravcu smjera izgradnje (Slika 3.9). Slika 3.9. Efekt stubišta sa većom i manjom debljinom sloja [16] Pogreške nastale pojavom efekta stubišta mogu se, kao što je prethodno navedeno, kvantificirati razmatranjem koncepta visine vrha (h). Koncept visine vrha nekog sloja, definiran je kao maksimalna udaljenost između granice slojevitog objekta i granice CAD modela (Slika 3.10) [17]. 154

165 Slika Visina vrha (h) [18] Postupak sječenja izravno utječe na veličinu efekta stubišta. Široko rasprostranjeno nepromjenjivo sječenje može rezultirati izrazitom pojavom efekta stubišta, jer zanemaruje promjenu geometrije dijela u pravcu smjera izgradnje. Za razliku od njega, prilagođeno sječenje koristi varijabilnu debljinu sloja za sječenje dijela, sukladno geometrijskoj zakrivljenosti u pravcu smjera izgradnje. U usporedbi s nepromjenljivim sječenjem, prilagođeni postupak može poboljšati završnu površinu, a u isto vrijeme smanjiti vrijeme potrebno za izgradnju dijela [19]. 1.4 Teselacija Teselacija podrazumijeva aproksimaciju 3D oblika serijom ravnih trokutova (Slika 3.11 i Slika 3.12). Korištenjem ovakvog pristupa, preciznost je parametar unosa kontroliran od strane dizajnera. To je prihvatljiva tjemena pogreška (Eng. Chordal Error) između trokutasto aproksimirane površinske konture i idealne CAD konture (Slika 3.13). Ta vrijednost nema značaja, npr. za kocku, koja je izrađena od ravnih ravnina, tako da koncept teselacije takvog objekta, pri prijenosu podataka na slojeviti sistem, je prilično učinkovit. Međutim, lopta pokazuje drugu stranu, gdje će zahtijevanje visoke preciznosti dovesti do vrlo velike datoteke podatka. 155

166 Slika Kontura dobivena CAD modelom i STL teselacijom [20] U stvarnoj primjeni, dizajn modela se prilagodi negdje između ova dva navedena primjera, gdje ova metoda može biti korištena za razdvajanje modela u odvojene dijelove zbog: Smanjenja veličine datoteke; Mijenjanja kordalne preciznosti; Izbjegavanja teselacijskih problema; Fleksibilne izgradnje za višestruke modele sa minornim međusobnim razlikama. Slika Princip teselacije lopte (sfere) [21] Prva prethodno navedena točka je vrlo važna, budući da je lako kreirati iznimno veliku teselacijsku datoteku. Najgori slučaj koji je ostao zabilježen je 55 Mb veličine STL formata (ASCII) kreiranog iz 4,5 byte CAD datoteke. 156

167 Alatke za kompresiju mogu drastično smanjiti spomenute datoteke pri njihovom pohranjivanju i prijenosu. Razdvajanje CAD modela u dijelove omogućuje dizajneru da veličinu datoteke održi manjom, gdje bi praktično tim brojem trokutova osigurao dobru kvalitetu samo onih značajki koje su važne. Slika Tjemena pogreška [9] Treba naglasiti da teselacijski model sa prihvatljivom preciznošću može biti pogrešan. Pogreška u odstupanja kod teselacijskog modela ne garantira da će ujedno biti i najveća pogreška sječenja (Slika 3.13). Prednosti teselacije uključuju sljedeće: Osigurava jednostavnu metodu prikaza 3D CAD podataka; Postoji de facto standard koji većina CAD i slojevitih sistema podržava; Za određene oblike, može osigurati male i precizne datoteke za prijenos podataka. Nedostatci teselacije uključuju sljedeće: Kreira datoteke mnogo puta veće od izvornog CAD podatka; 157

168 Implementacija STL prevoditelja unutar CAD sistema varira u kvaliteti i dosljednosti, što predstavlja problem. To daje prostora za tzv. programske ispravke, što usporava proizvodni ciklus; Naknadno sječenje velikih STL datoteka može potrajati i do nekoliko sati, osim za slojevite procese gdje se može sjeći dok sistem gradi prethodni sloj, što ide u prilog vremenu, pa otuda i potiče naziv tehnologije brze izrade (Eng. Rapid Prototyping); Povremeno, dizajner nije u mogućnosti uspješno dobiti CAD model kroz STL sučelje, što rezultira ponovnim modeliranjem. Bez obzira, koliko učinkovite bile teselacijske datoteke, neophodno je izvršiti sječenje granične konture na ovakav način, kako bi se uopće odvijao process slojevite izrade objekata [21]. 1.5 Orijentacija modela Određivanje pravilne orijentacije modela je fundamentalni problem aditivne tehnologije. Ona ima značajan utjecaj na mnoge važne kriterijske aspekte koji u konačnici određuju troškove izrade. Prepoznavanjem tih kriterija, omogućuje se bolje razumijevanje njihovih utjecaja na troškove, kako bi se oni sveli na minimum. Ponekad kriteriji mogu biti višestriki kod definiranja orijentacije modela. Neki od tih kriterija podrazumijevaju: završnu površinu, vrijeme izrade, potpornu strukturu, troškove materijala, zarobljeni volumen, deformaciju itd. Svi oni odlučuju, pojedinačno ili kolektivno, o različitom stupnju kvalitete konačnog proizvoda i moraju biti sagledani pri razvoju alata za određivanje optimalne orijentacije. Važnost završne površine, prije svega, ovisi o specifičnoj namjeni dijela. Ta važnost naročito dolazi do izražaja kod nalijeganja dvaju površina. Stoga je vrlo važno orijentirati model na način kako bi se minimizirao efekt stubišta, koji je praktično zajednički imenilac za sve sisteme slojevite izrade koje danas poznajemo. Neželjeni efekt stubišta se najčešće pojavljuje na kosim odnosno zakrivljenim površinama, pa stoga korisnik 158

169 treba nastojati pravilnom orijentacijom, tj. pravcem izgradnje izbjeći takve neželjene efekte na površinama od značaja. Vrijeme izrade je važno u slučajevima kada je dio neophodno dobiti u vrlo kratkom vremenu. Često se dogodi da kvaliteta završne površine ima veći prioritetni stupanj od vremena izrade, pa vrijeme izrade u tom slučaju može imati manji težinski faktor. U izravnoj vezi s vremenom izrade je potporna struktura. Drugim riječima, manja količina potporne strukture dovodi do kraćeg vremena izrade. Kategorizacija kriterija koji definiraju orijentaciju može ići u više pravaca. Geometrijske značajke su jedan od tih pravaca. Određena istraživanja poput [22, 23], dovode do toga da se željena orijentacija može dobiti analizom višestrukih geometrijskih i drugih značajki. U takvim okolnostima, od korisnika se zahtijeva da dodijeli prioritete određenim geometrijskim značajkama na dijelu, koje su u tom trenutku važne. Također, navedena istraživanja pokazuju i to da samo jedna geometrijska značajka može odrediti orijentaciju, odnosno pravac izgradnje. Slika 3.14 ilustrira optimalnu orijentaciju objekta izvedenu na osnovu tri kriterija. Slika Optimalna orijentacija za tri kriterija [24] Prvi kriterij je kvaliteta ili preciznost površine, što predstavlja možda i najvažniji faktor kada je proizvod predodređen obavljanju zadane funkcije. Moguće je reducirati, a možda i sasvim eliminirati efekt stubišta, mijenjanjem orijentacije izgradnje koja doprinosi takvom rezultatu (Slika 3.15 a). 159

170 Slika Određivanje optimalne orijentacije u ovisnosti o zadanom kriteriju [24] Drugi kriterij predstavlja vrijeme izrade, koje ovisi o broju slojeva, koji trebaju biti obrađeni. Dva objekta potpuno jednakih volumena mogu imati različita vremena izrade, ukoliko im se razlikuje broj slojeva kojima se vrši izgradnja. To je iz razloga što je vrijeme izrade u izravnoj poveznici sa brojem slojeva, tako da optimalna orijentacija sa minimalnim brojem slojeva osigurava ujedno i najkraće vrijeme izrade (Slika 3.15 c). 160

171 Treći kriterij predstavlja potporna struktura čija je uloga da podupire objekt tijekom izgradnje. Neophodno je voditi računa da se visina potpore svede na minimum, kako bi sistem čim prije prešao na izgradnju objekta i time izbjegao rad u tzv. praznom hodu. Kod nekih metoda slojevite izrade, nastoji se u što većem postotku smanjiti ukupna površina dodira između potpore i zidova objekta. Razlog tomu je što se kod takvih metoda, poslije završetka izrade, zahtijeva post-obrada, gdje se materijal potpore raznim alatima odstranjuje od objekta. Pri tome može doći do fizičkih oštećenja na konačnom proizvodu (Slika 3.15 b). 161

172 2. METODE VREDNOVANJA CAD MODELA U CILJU OPTIMIRANJA PROCESA KONSTRUIRANJA PROIZVODA Poteškoće koje se javljaju u procesu evaluacije koncepata leže u činjenici da je dizajn proizvoda početni, tako da se proces odvija u limitiranom znanju i podatcima. U takvim okolnostima, ključno je razviti mehanizam za odabir i poboljšanje koncepta, odnosno varijanti kojima će se u krajnjoj liniji unaprijediti proizvod. To se može postići međusobnom usporedbom i evaluacijom više varijantnih područja koja su definirana od strane postavljenih kriterija. Rezultati uspoređivanja mogu voditi ka ponavljanju tehnike kontinuirano u iteracijama, sve dok dizajner ne bude zadovoljan dobivenim rezultatima. Proces evaluacije se odvija u tri koraka [25]: Odabir kriterija za usporedbu sveobuhvatna analiza dizajna modela proizvoda u cilju prepoznavanja karakterističnih područja. Svi kriteriji trebaju biti sortirani određenim redoslijedom, kako bi bili pravilno upotrijebljeni. Izbor šeme evaluacije je u domeni odluke dizajnera. Metoda težinskih faktora je matematički model koji se temelji na inženjerskoj procjeni važnosti atributa koji opisuju finalni proizvod; Odabir varijantnih područja za usporedbu varijantna područja moraju biti generirana. Neka varijantna područja mogu biti odbačena na samom početku, iz razloga što ne zadovoljavaju zahtjeve ili nisu izvodiva; Generiranje ocjena ocjene koje služe u svrhu rezultata proizašlih iz finalnog računanja vrijednosti težinskih faktora. Obzirom na specifične vrijednosti pojedinih zona, dizajn CAD modela je neophodno tretirati kroz značajke koje ga pobliže određuju, kako bi se postigli optimalni parametri, gdje su granice navedenih zona definirane područjem značajke. Ovo ima za cilj mogućnost definiranja različitih optimalnih debljina sloja u zonama. Neophodno je, u svakom slučaju, koristiti postupak prilagođenog sječenja, kako bi se za svaki sloj odredila pojedinačna vrijednost visine. 162

173 Sagledavanjem i analizom dizajna proizvoda, dizajner identificira karakteristične zadaće svakog dijela komponente. Pojedinačno ili kolektivno, komponente ili neki njihovi dijelovi obavljaju određenu funkciju ili pod-funkciju ili su uvjetovani krajnjom primjenom, u smislu da moraju biti estetski, odnosno ergonomski oblikovani i prilagođeni konzumentu (Slika 3.16). Kako bi se svakom dijelu pojedinačno pristupilo, na modelu proizvoda se proglašavaju zone koje nose određene specifičnosti u pogledu izrade. Te specifičnosti se mogu odnositi na preciznost geometrije, brzinu izrade, montažu, ergonomiju, estetiku itd. Slika Dizajn proizvoda u funkciji obavljanja zadaće [33] Slika 3.16 prikazuje CAD model ručice automobilskog mjenjača. Tri zone modela se nameću kao specifične u pogledu razrade dizajna za izradu. Prva zona je zglobni dio, koji povezuje ručicu s ostatkom mjenjačke kutije. Omogućava vezu i nesmetan rad pri mijenjanju brzina, pa je zbog svoje svrsishodnosti važan dio s aspekta funkcionalnosti. 163

174 Obzirom da se radi o zglobnom prijenosniku i elementu koji se spaja izvođenjem određene vrste nalijeganja, zahtijevala bi se veća kvaliteta pri izradi. Središnji dio modela je cilindričnog oblika i fizički povezuje prvu i treću zonu, čime je moguće ostvariti prenošenje ručne sile. Osim estetskog aspekta, središnja zona ne posjeduje druge značajke. Ovdje se mora naglasiti da je cilindrični oblik jednoobrazan i ne dolazi do promjene u geometriji. Treća zona modela je rukohvat, koji je u stalnom kontaktu sa dlanom vozačeve ruke, pa se zbog svoje osnovne namjene promatra kroz ergonomski aspekt. Slika CAD model ručice automobilskog mjenjača podijeljen na zone [33] Obzirom na prethodno iznesenu funkcionalnu, estetsku i ergonomsku specifičnost pojedinih dijelova, model je rotiran u vertikalni položaj za daljne procesuiranje, upravo kako bi segmenti bili obuhvaćeni procesom izrade. Cilj je mogućnost definiranja različitih vrijednosti visina slojeva, optimiranih po zonama I, II i III (Slika 3.17). 164

175 Iz prethodno navedenih razloga, zonama se pridružuju težinski faktori površine (w), koji se odnose na reguliranje spomenute visine sloja, koja na koncu definira pitanje kvalitete površine i druge specifikacije. Težinski faktori se određuju na temelju specifičnih značajki koje karakteriziraju model, odnosno pojedine zone modela, gdje se pri izračunavanju visine sloja koriste, kako bi se korigirala i sama izračunata visina i kako bi se dobila konačna vrijednost visine t final [26]. t final = t/w t max (3.1) Dodjeljivanjem težinskih faktora određuje se važnost uloge značajke koja, ustvari, postaje kriterij za evaluaciju, čime se utječe na krajnje pronalaženje rezultata. Sam postupak definiranja težinskih faktora može se razlikovati, obzirom na složenost CAD modela i različite zahtjeve sa kriterijskog aspekta tog modela. Cilj je povećati, odnosno smanjiti vrijednost promatranom kriteriju. Sam postupak definiranja težinskih faktora može se razlikovati obzirom na složenost modela i različite zahtjeve funkcionalne, estetske ili ergonomske prirode. Tablica 3.1, Tablica 3.2, Tablica 3.3 i Tablica 3.4 pokazuju neke od mogućih načina rasporeda težinskih faktora za zone modela I, II i III (Slika 3.17), vodeći računa o funkcionalnim, estetskim i ergonomskim vrijednostima. U narednom koraku prikazane su dvije metodologije: određivanje prednosti i matrica odluke. 2.1 Računanje težinskih faktora metodom određivanja prednosti Određivanje prednosti temelji se na uspoređivanju svakog pojedinog kriterija sa svim ostalim i dodjeljivanju prednosti promatranom kriteriju. Ukoliko je prednost na strani kriterija kojeg uspoređujemo, piše se vrijednost jedan, ukoliko je prednost na strani kriterija s kojim uspoređujemo, piše se vrijednost dva, a ukoliko kriteriji imaju jednaku važnost, piše se nula. Kriteriji koji se nalaze u retku matrice, su kriteriji koje uspoređujemo s kriterijima u stupcima matrice (Tablica 3.1) [25]: 165

176 Tablica 3.1. Opći model određivanja prednosti kriterija k (1) k (2) k (j) k (n) k (1) k (2) 2 1 k (i) 1 2 k (n) 0 Dosljednost matrice postiže se zadovoljavanjem sljedećih izraza: k ij =1 k ji =2; i j (3.2) k ij =2 k ji =1; i j (3.3) k ij = k ji =0; i=j (3.4) Težinski faktor kriterija k i biti će jednak zbroju jedinica u retku, dijeljeno s ukupnim brojem jedinica u matrici, čime se dobije normirana matrica: n j=1{k ij (k ij =1)} w i = n n {k ij (k ij =1)} i=1 j=1 (3.5) Prikazanom metodom određivanja prednosti, težinski faktori se primjenjuju na modelu ručice mjenjača automobila (Slika 3.16), koja u svom opisu nosi kriterije preciznosti geometrije na dijelu za uspješno obavljanje funkcije, estetike kao vizualnog dojma i ergonomije kao ugođaja oblikovanih površina. U tablici prednosti, relacije između varijantnih područja CAD modela ručice mjenjača i izračunatih vrijednosti težinskih faktora za svaku varijantu imaju sljedeći oblik (Tablica 3.2): 166

177 Tablica 3.2. Vrijednosti težinskih faktora metodom određivanja prednosti Geometrijski težinski faktori Estetski težinski faktori Ergonomski težinski faktori Z 1 Z 2 Z 3 Σ Σ Σ w 1 i Z 1 Z 2 Z 3 w 1 i Z 1 Z 2 Z 3 1 Z Z Z Z Z Z Z , 5 0, 5 w i Z Z Σ 2 1 Σ 2 1 Σ 2 1 Za određivanje konačnog težinskog faktora za svaku zonu modela, potrebno je uzeti najveći od tri ponuđena. Tablica 3.3 pokazuje da zone modela I i III imaju najveće vrijednosti težinskih faktora, što ukazuje na važnost tih dijelova u njihovoj primjeni. Dobivene vrijednosti težinskih faktora ručice mjenjača automobila imaju vrijednosti: w={1; 0,5; 1} (Tablica 3.3). Tablica 3.3. Dobivene vrijednosti težinskih faktora po zonama modela Zona I Zona II Zona III w geom. 1 (visoka kvaliteta) 0 (niska kvaliteta) 0 (niska kvaliteta) w est. w ergo. 0 (niska kvaliteta) 0 (niska kvaliteta) 0,5 (srednja kvaliteta) 0,5 (srednja kvaliteta) 2.2 Računanje težinskih faktora metodom matrice odluke 0 (niska kvaliteta) 1 (visoka kvaliteta) Ovom metodom, model ručice mjenjača (Slika 3.16) uključuje kriterije koji se kao u prethodnom poglavlju odnose na preciznost izrađene geometrije u zoni modela koja ima zadaće obavljanja određene funkcije u sklopu, estetiku kao vizualni dojam površina i ergonomski ugođaj oblikovanih površina, svaki sa sljedećom težinskom vrijednošću: 167

178 Geometrija 45% Estetika 25% Ergonomija 30% Zbroj težinskih vrijednosti (w.f.) svih kriterija mora biti 100%. Za svako varijantno područje dodjeljuje se i vrijednost rejting faktora (r.f.), ovisno o važnosti utjecaja pojedinog kriterija na promatrano varijantno područje (Tablica 3.4). Tablica 3.4. Vrijednosti težinskih faktora metodom matrice odluke Dizajnerski kriteriji Varijan. područja Geometrija Estetika Ergonomija Suma T e ž i n s k i f a k t o r i 0,45 0,25 0,3 w.f.=1 Zona I Zona II Zona III 1,5 0,5 0,5 0,675 0,225 0,225 0,5 1 0,5 0,125 0,25 0,125 0,5 0,5 1,5 0,15 0,15 0,45 w.r.f.=0,95 w.r.f.=0,625 w.r.f.=0,8 Vrijednost u donjem desnom trokutu svake ćelije se računa kao umnožak težinskog faktora i njemu pripadajućeg rejting faktora, čime se kao rezultat dobiva vrijednost težinskog rejting faktora (w.r.f.) [25]: w.r.f.=w.f. r.f. (3.6) Dobivene su vrijednosti težinskih rejting faktora, a finalne sume svakog varijantnog područja se uspoređuju. Varijantno područje sa najvećom vrijednošću je ono koje najbliže zadovoljava set zadanih kriterija, što je u ovom slučaju zona I. Dobivene vrijednosti težinskih faktora ručice mjenjača automobila imaju vrijednosti: w={0,95; 0,625; 0,8} (Tablica 3.4). Može se svesti na činjenicu da su obje metode dale slične rezultate, što ukazuje na to da zone modela zahtijevaju zasebno tretiranje pri 168

179 određivanju parametara procesa. Vrijednosti težinskih faktora dobivenih po zonama potrebno je priključiti visini sloja. Ukoliko ta novonastala vrijednost visine prelazi onu minimalnu, odnosno maksimalno dozvoljenu, definiranu ovisno o mogućnostima primjenjene metode za slojevitu izradu, vrijednost visine se korigira na tu graničnu vrijednost. Iz izračuna se jasno vidi da će pripadajuća vrijednost težinskog faktora imati veliki utjecaj na konačnu visinu sloja u zoni II modela ručice mjenjača automobila. Ukoliko primijenimo vrijednosti dobivene metodom matrice odluke, koje su nešto finije u odnosu na metodu određivanja prednosti, imamo sljedeću situaciju: Zona I: t final = t w I = t 0,95 {t min t final t max } (3.7) Zona II: t final = t w II = t 0,625 {t min t final t max } (3.8) Zona III: t final = t w III = t 0,8 {t min t final t max } (3.9) Ovakvim pristupom, postignut je kompromis između dijametralno suprotnih zahtijeva istovremeno uključenih na modelu. Na jednoj strani, to je ostvareno u postizanju zadovoljavajuće kvalitete željenih površina, a s druge strane u skraćenju vremena potrebnog za dobivanje proizvoda. Dodatna prednost ovog pristupa proizlazi iz činjenice da se prilagođeni postupak planira, na način da se trodimenzionalna složenost modela analizira kroz njegov dvodimenzionalni prikaz. Ako se ide malo dalje u analizi dizajna, može se izvesti zaključak da je, pak, maksimalna visina sloja u pojedinim zonama veoma poželjna, što govori da je udaljenost između dva susjedna odsječka na maksimalnoj vrijednosti. Međutim, treba naglasiti da se maksimalna visina sloja treba primijeniti u slučajevima jednostavne konture, gdje ne dolazi do bitnih promjena u geometriji, što se svakako može konstatirati za zonu II modela ručice mjenjača automobila. U svim ostalim slučajevima gdje dolazi do povećanja složenosti konture modela, vrijednost visine sloja se kreće prema minimumu, a to upravo pokazuju zone modela I i III. 169

180 Potpuno je jasno, da je konačna visina sloja u zoni II dvostruko veća od računske. Ukoliko računska visina prelazi najveću dozvoljenu visinu koja može biti izvedena na stroju, onda se ona korigira na visinu t max. Na ovaj način omogućena je dvostruko brža izrada modela u području II (zona II), bez obzira na računsku visinu sloja (Slika 3.18). (a) (b) (c) Slika Virtualno slojevito sječenja modela ručice mjenjača: a) nepromjenljivo sječenje sa t min ; b) nepromjenljivo sječenje sa t max ; c) prilagođeno sječenje [27] Granične vrijednosti debljine sloja definirane su kapacitetom i mogućnostima stroja za slojevitu izradu. Tablica 3.5 prikazuje broj slojeva u ovisnosti o primijenjenom konceptu sječenja. Za minimalnu debljinu uzeta je simbolična vrijednost od 1 mm, a maksimalna je 3 mm. Prikazane vrijednosti u tablici samo dodatno potvrđuju korektnost cjelokupno prikazanog pristupa u tretiranju pojedinih zona modela. 170

181 Tablica 3.5. Broj slojeva dobivenih sječenjem različitom debljinom Postupak Debljina sloja (mm) Broj slojeva Nepromjenljivo sječenje (t min ) Nepromjenljivo sječenje (t max ) 3 37 Prilagođeno sječenje

182 3. POMOĆ U RAZVOJU PROIZVODA Sve većim razvojem računalne tehnologije, sve je veća primjena računala u suvremenom inženjerstvu. Gotovo je nezamislivo rješavati određeni problem u polju tehnike, a ne koristiti resurse koje nudi računalna tehnologija. Jedno od tih resursa jesu upravo ekspertni sistemi (Eng. Experts Systems, ES), čija osnovna namjena jeste da zamjenjuje djelovanje eksperata u provođenju ekspertize, na način da vrši analizu i nudi rješenje i pomoć u donošenju odluke u području problema. Ekspertni sistem se može definirati kao inteligentni računalni program koji koristi znanje i procedure zaključivanja za rješavanje problema. Sve definicije iz literature navode da ekspertni sistem sadrži visoko specijalizirano znanje iz određenog područja struke i da je u mogućnosti u tom području kreirati inteligentne odluke. ES je u mogućnosti da na temelju pohranjenih informacija, koje predstavljaju znanje i izgrađenih procedura, na vrlo brz i efikasan način pomogne korisniku u rješavanju specifičnih problema (Slika 3.19). Ekspertni sistemi nisu pogodni za rješavanje općih problema iz širokog područja, jer su više usmjereni ka rješavanju problema uskog područja, gdje za uspješno djelovanje trebaju sve dostupne informacije, kako bi bili u stanju predložiti odgovarajuće, što kvalitetnije rješenje u vidu savjeta ili preporuka. Za rad ekspertnih sistema koriste se metode umjetne inteligencije. U pravilima, kombiniraju se kvantitativne i kvalitativne informacije, teorija vjerojatnosti, aritmetičke i logičke operacije i sve to je temeljeno na heuristici. Prema tome, odluke donesene od strane ekspertnog sistema mogu biti korisne ili dobre odluke, ali ne i obvezujuće. Dodatne otežavajuće okolnosti mogu da budu nepotpuni podatci o problemu koji se rješava, koji uz to mogu biti i nedovoljno pouzdani ili subjektivni. Klasičan način koji se primjenjuje za rješavanje takve vrste problema je naravno konsultacija ili angažovanje jednog ili tima stručnjaka iz te predmetne oblasti, odnosno eksperta koji svojim znanjem, iskustvom i domišljatošću može da rješi problem. Sa tog aspekta promatrano, ekspertni sistem je računalni program, koji treba da simulira aktivnosti eksperta ili više njih i pri tom rješi problem na onaj 172

183 sličan način na koji ekspert postupa. Ovakvim pristupom, ekspertni sistemi predstavljaju alternativan način za automatizaciju postupka u rješavanju problema primjenom računala, u odnosu na klasičan način programiranja korištenjem proceduralnih programskih jezika. Neke od osnovnih karakteristika ekspertnog sistema istovremeno predstavljaju i suštinske razlike u odnosu na klasična rješenja. Slika Evolucija računalne potpore [28] Različiti ekspertni sistemi koji obavljaju različite zadatke i nemaju zajedničke oblasti djelovanja, imaju uglavnom sličnu strukturu. Ono što čini prednost u strukturi ekspertnih sistema jeste činjenica da su baza znanja (Eng. Knowledge Base, KB) i mehanizam zaključivanja (Eng. Inference Engine) potpuno odvojeni. To govori da mehanizam zaključivanja ne mora biti uvjetovan samim sadržajem akumuliranog znanja, čime kvaliteta dobivenih informacija ovisi isključivo o bogatstvu sadržine, a ne o proceduralnoj logici. U slučajevima kada je neophodno načiniti promjene ekspertnog sistema u svrhu postizanja zadanih ciljeva, dovoljno je napraviti izmjene jedino u bazi znanja. Mehanizam zaključivanja rješava problem na način da koristi podatke iz radne memorije i pravila iz baze znanja. U radnoj memoriji se čuvaju vrijednosti i lokalnih i globalnih varijabli. Podatak jednom upisan u radnu memoriju, 173

184 ekspertni sistem može da koristi do kraja procesa zaključivanja, ukoliko se prije toga nekom naredbom ta vrijednost ne obriše ili ne promjeni. Da bi se omogućio nesmetan rad ekspertnog sistema, neophodno je pravilno uvezati bazu znanja sa mehanizmom zaključivanja, a to se postiže kreiranjem odgovarajućeg korisničkog sučelja. Korisničko sučelje omogućuje razmjenu informacija između korisnika i ekspertnog sistema pri rješavanju problema, što predstavlja interaktivnu komunikaciju (Slika 3.20). Slika Arhitektura ekspertnih sistema [28] Na temelju prethodno iznesenog, može se zaključiti da glavne dijelove ekspertnog sistema čine [29, 30]: Baza znanja; Mehanizam zaključivanja; Korisničko sučelje. Pored ova tri glavna dijela, ekspertni sistem se obično sastoji i od [29, 30]: Mehanizma pojašnjenja; Radne memorije; 174

185 Sučelja za hvatanje znanja. Osnovni i ključni dio svakog ekspertnog sistema je njegova baza znanja. Tu je akumulirano znanje koje je neophodno za rješavanje zadaća i zapisano je u formi koju ekspertni sistem razumije, kako bi je koristio za kreiranje odluka. Zapis u bazi znanja mora biti takav da omogući jasno, transparentno i fleksibilno upravljanje aktivnom strukturom zapisanog znanja. Baza znanja nije kompletan dio ekspertnog sistema, ali mora dozvoliti operacije modifikacije i nadogradnje. U principu, zapisano znanje se može podijeliti u dvije skupine [29]: Deklarativno znanje koje opisuje objekte (činjenice i pravila) i veze između tih objekata; Proceduralno znanje koje sadrži informacije o tome kako koristiti te objekte, kako bi se došlo do nekih zaključaka i konačnog rješenja. Ekspertni sistem sprovodi ekspertizu u određenom području, gdje kvaliteta dobivenih rezultata ovisi o stupnju sveobuhvatnosti izgrađene baze znanja, što predstavlja ključ za dobre performanse jednog ekspertnog sistema. Međutim, da bi se akumuliranim znanjem upravljalo pri rješavanju problema, ono se mora posložiti u adekvatnoj formi koja bi samom korisniku bila razumljiva. Najčešće korištena metoda za zapis znanja, koja se u tehničkom području pokazala kao veoma upotrebljiva, jeste metoda produkcijskih pravila [29]. Logičke relacije među objektima iz područja problema, opisuju se pravilima tipa Ako/Onda (Eng. IF/Then), poput onog prikazanog u primjeru 1. Primjer 1.: Osnovna definicija If/Then produkcijskog pravila Ako I Onda varijabla A ima vrijednost X varijabla B ima vrijednost Y varijabla C ima vrijednost Z s vjerojatnošću P 175

186 Uvodni dio pravila (glava) sadrži logičke uvjete pod kojima bi se trebalo primjenjivati pravilo u nastavku, nakon čega slijedi, strogo propisanim i utvrđenim činjenicama, rješenje koje nudi sistem na temelju logičkih uvjeta koji se izvode. Svako pravilo predstavlja mali korak u donošenju odluke. Neka pravila mogu predstavljati veću razinu logike, dok ostala mogu pokrivati posredne korake i biti korištena za izvođenje informacija na većoj razini pravila. Složen sistem može imati mnogo pravila, koja se u tom slučaju grade i organiziraju korištenjem logičkih i akcijskih blokova. Kako bi se zapisano znanje pravilno upotrebljavalo, ekspertni sistem mora ostvariti produktivnu vezu mehanizma zaključivanja sa bazom znanja preko korisničkog sučelja. To je program koji upravlja i nadzire djelovanje cijelog ekspertnog sistema na temelju definiranog proceduralnog tijeka upravo kroz logičke blokove upravljane komandnim jezikom. Proceduralni komandni jezik osigurava mehanizam upravljanja za ulazne podatke, egzekuciju pravila, petlje i prikaz rezultata. Uključuje naredbe za [31]: Upravljanje tijekom naredbi (WHILE, IF, GOTO ); Pokretanje pravila u prednjem i povratnom ulančavanju; Pozivanje izvješća specifičnih datoteka; Prikazivanje rezultata; Stvaranje podataka; Upravljanje prikazom postavljanja pitanja; Pozivanje baze podataka; Pozivanje eksternih programa. Kada je znanje zapisano u formi produkcijskih pravila, mehanizam zaključivanja koristi sljedeće metode [31, 32]: Povratno ulančavanje (Eng. Backward Chaining) je termin koji se koristi za opis načina pokretanja pravila vođenih ciljem (Eng. Goal Driven). U povratnom ulančavanju, ako je informacija potrebna, sistem će automatski provjeriti sva pravila, kako bi uvidio da li postoji pravilo koje bi moglo osigurati potrebnu informaciju. Ovakav pristup pojednostavljuje razvoj ekspertnog sistema, iz 176

187 razloga što svako pravilo sadrži određenu činjenicu. Pronalaze se relevantna pravila koja se koriste, bez obzira na njihov redoslijed; Prednje ulančavanje (Eng. Forward Chaining) je termin koji se koristi za opis načina pokretanja pravila vođenih podatcima (Eng. Data Driven). Kod povratnog ulančavanja uvijek postoji cilj koji se treba postići, kao i specifičan razlog zbog kojeg se pravila upotrebljavaju. Međutim, kod prednjeg ulančavanja pravila se upotrebljavaju jednostavnim redoslijedom kako su i dostupna, dok se ne dobije informacija, pa se može reći da je ono više ovisno o redoslijedu pravila. Povratno ulančavanje je obično učinkovitije od prednjeg ulančavanja, jer nastoji smanjiti prostor pretraživanja i najčešće se brže dolazi do rješenja. Međutim, zbog mnogih dobrih svojstava koje posjeduju ove metode, većina ekspertnih sistema se u potrazi za rješenjem koriste kombinacijom obje metode. Treba napomenuti i to da ekspertni sistemi mogu predložiti rješenja na temelju nepotpunih ili nepouzdanih informacija. Uobičajeno je da je ekspertno znanje fizički odvojeno od algoritma zaključivanja. Takva organizacija dopušta upotrebu višestrukog zaključivanja, u kombinaciji s različitim bazama znanja. Prilikom izgradnje ekspertnog sistema kroz heuristička pravila temeljena na varijablama, neophodno je detaljno sagledati i ovladati raspoloživim varijablama dostupnim za izgradnju cjelokupnog sistema. Tipovi varijabli koje se nameću kao uobičajene pri gradnji ekspertnog sistema imaju sljedeće osobine [31]: Statičke varijable (Eng. Static List) su varijable koje imaju specifičnu listu mogućih vrijednosti, odnosno listu višestrukog izbora. Moguće vrijednosti uvijek ostaju iste za svakog korisnika sistema. Statičke varijable treba koristiti kad god postoji konačna lista mogućih vrijednosti koje jedna varijabla može imati. Na postavljeni upit od strane korisnika, varijable generiraju pitanje s višestrukim izborom odgovora, čime logiku automatski dijele na 177

188 moguće vrijednosti za razmatranje. Ovaj tip varijabli su najčešće korištene varijable u sistemu; Dinamičke varijable (Eng. Dynamic List) su tipovi varijabli sa specifičnom listom mogućih vrijednosti, ali za razliku od statičkih varijabli, lista vrijednosti je dinamički postavljena u vremenu izvođenja, dopuštajući da se mogućnosti liste vrijednosti odaberu na temelju prethodnog korisnikovog unosa. Lista vrijednosti se može učitati iz vanjskih izvora, poput baza podataka. Dinamičke varijable se ne koriste često, ali su korisne kod odabira mogućnosti, koje se često mijenjaju ili nisu poznate u trenutku razvoja sistema; Numeričke varijable (Eng. Numeric Variables) su varijable kojima se dodjeljuje numerička vrijednost. Vrijednost može biti unesena od strane korisnika, izračunata iz drugih pravila, dobivena iz vanjskog izvora itd.; String varijable (Eng. String Variables) su varijable kojima se dodjeljuje vrijednost tekstualnog niza. Vrijednost string varijable može biti analizirana i testirana u različitim pravcima izgradnje uvjeta, ali općenito se koristi kao identifikator vanjskih izvora podataka ili teksta, koji se koristi u izvješćima; Datumske varijable (Eng. Date Variables) su varijable kojima se dodjeljuje vrijednost datuma. To može biti kalendarski datum ili može podrazumijevati vrijeme mjereno u milisekundama. Datumska vrijednost se može koristiti u testovima uspoređivanja ili izračunima iz različitih funkcija. Ovaj tip varijabli se treba koristiti kada logika sistema ima vremensku ovisnost; Zbirne varijable (Eng. Collection Variables) su veoma koristan tip varijabli. Vrijednost je lista (zbir) tekstualnih nizova. Objekti mogu biti dodani na listu iz različitih razloga i u različito vrijeme. Objekti, također mogu biti uklonjeni sa liste na isti način kako su i postavljeni. Nema fiksnih ograničenja liste i sadržaj može biti bilo koja vrsta teksta. Od krajnjeg korisnika se nikad ne traži da izravno odredi vrijednost zbirne varijable, već umjesto toga se koristi za izgradnju cjelokupnog sadržaja s višestrukim pravilima, 178

189 osiguravajući pojedinačne tekstualne objekte. Jedno od najčešćih upotreba zbirnih varijabli je kod izgradnje izvješća. To može biti jednostavna lista preporuka ili složena izvješća u RTF, PDF ili HTML formatu. Mogućnost dodavanja bilo koje količine teksta i sadržavanje različitih pravila zasebno dodanih, čini zbirne varijable veoma fleksibilnim; Ciljne varijable (Eng. Confidence Variables) su varijable kojima se dodjeljuje vrijednost koja odražava stupanj točnosti u specifičnom rezultatu ili preporuci. Kao i kod numeričkih varijabli, vrijednost je broj, ali u ovom slučaju to je mjera kojom se pokazuje primjenjivost te varijable za pojedinačni slučaj. Krajnja vrijednost ciljne varijable se predočava korisniku, kako bi se povećala ili smanjila vjerojatnost kojom se iskazuje točnost za pojedinačni slučaj. Jednoj ciljnoj varijabli mogu se dodijeliti vrijednosti raznih pravila u sistemu i koji će automatski kombinirati vrijednosti za dobivanje jedne ukupne ciljne vrijednosti. Razne jednadžbe unutar sistema mogu se odabrati za kombiniranje dodjeljivanja vrijednosti na razne načine. Ciljne varijable nikada izravno ne zahtijevaju unos od korisnika, već se postavljaju od strane pravila u sistemu. One su najučinkovitije za korištenje u sistemima gdje postoje višestruke preporuke, temeljene na tome koliko su ustvari dobre. Svaka preporuka je posebna ciljna varijabla i svaka je zadana ciljnom vrijednošću od strane pravila u sistemu. One sa najvećim vrijednostima se prikazuju u rezultatima sistema. 3.1 Primjena ekspertnih sistema Postoji mnogo načina implementacije inteligentne potpore za različite procese. U primjeru postupka slojevite izrade, gdje je neophodno sagledati dizajn modela i na temelju njega pravilno optimizirati parametre procesa, najprikladnije je primijeniti sisteme temeljene na bazi znanja (Eng. Knowledge Based Systems KBE), a među njima ekspertne sisteme, zbog načina djelovanja i potencijalnih vrijednosti [33]. 179

190 Odabir parametara procesa izgradnje predstavlja jednu od najvažnijih zadaća koje dizajner mora izvršiti u procesu slojevite izrade objekata. Orijentacija izgradnje i debljina sječenja se nameću kao primarni parametri u definiranju procesa slojevite izrade. Kako bi se pravilno odredili, navedeni parametri moraju biti i pravilno sagledani. Iz tog razloga, prolaze kroz fazu evaluacije, gdje im se u ovisnosti o važnosti kriterija dodjeljuju vrijednosti težinskih faktora. Neki od kriterija podrazumijevaju vrijeme i preciznost izrade, pogreške u tijeku procesa, sklapanje, geometrijsku složenost, funkcionalne, ergonomske i estetske značajke, itd. Način zapisa heuristike u procesu odlučivanja je različit, pri čemu su najefikasnija i najuspješnija If/Then produkcijska pravila. To su pravila gdje se sa If testira istinitost ili neistinitost (Eng. True or False) nekog specifičnog slučaja ili situacije. Kada se sa If ustvrdi istinitost, navodi iz Then poprimaju istinite vrijednosti i dodaju se u sistemu. Osnovno If/Then pravilo prikazano je u primjeru 2. Primjer 2.: Pravilom definirana debljina sječenja u funkciji zadane preciznosti IF: The model surfaces need to be produced with high accuracy: THEN: Layer thickness has to be minimal. Definicija produkcijskog pravila je u osnovi jednostavna sintaksa, koja je pogodna za čitanje i razumijevanje njenog značenja. Pravilo može imati jedno ili više If uvjeta, kao i jedno ili više Then uvjeta. If uvjet uvijek predstavlja Boolean-ove testove kojima se provjerava istinitost, odnosno neistinitost slučaja. Kada postoji više If uvjeta, oni se kombiniraju s And i svi moraju biti istiniti, kako bi cijelo pravilo bilo istina. Također, postoje načini za izgradnju uvjeta s Or ili nekim drugim logičkim operatorima kada je to potrebno. 180

191 Svako pravilo je mali dio ukupne logike donošenja odluke. Mehanizam zaključivanja procesuira sva pravila u sistemu i koristi ih na najučinkovitiji način, kako bi riješio partikularni problem. Budući da mehanizam zaključivanja automatski pronalazi, kombinira i koristi pravila kada je to potrebno, njihov redoslijed općenito nije važan. Pravila predstavljaju neovisne činjenice i nema eksplicitne veze među njima samima. Ako određeno pravilo treba biti izmijenjeno, na jednostavan način se editira, bez da se provjerava na koji je način ono povezano sa nekim drugim pravilima ili gdje se ono pojavljuje u robusnom računalnom kodu. Kako procesuira pravila, mehanizam zaključivanja određuje: Za što bi se pravila koristila? Koje informacije su potrebne za procesuiranje pravila? Kako potrebne informacije mogu biti izvedene iz ostalih pravila? Koja pitanja postaviti krajnjem korisniku? Kako formatirati i prikazati korisničko sučelje? Kada je dovoljno informacija za davanje zaključka? Kako formatirati i prikazati rezultate? Kako vršiti interakciju sa drugim programima ili izvorima? Primjena ekspertnih sistema na proces slojevite izrade predstavlja izgradnju sveobuhvatne baze znanja zasnovane na varijablama, pomoću kojih se grade produkcijska pravila. U tom smislu, varijable koje se trebaju ostvariti, podijeljene su u dvije skupine: Dizajnerski ciljevi (Eng. Design Goals) prikazuju se u formi confidence varijabli, kojima se određuje važnost određenog rješenja; Dizajnerske preporuke (Eng. Design Recommendations) prikazuju se u formi collection varijabli, kojima se nudi konkretan savjet u pogledu određenog rješenja. 181

192 3.2 Izgradnja baze znanja Razvoj inteligentnog sistema temelji se na kvaliteti informacija unesenih u bazu znanja. Karakteristične informacije se rasčlanjuju po specifičnim cjelinama, svojstvenim samom postupku izrade. U skladu sa tim, kriteriji za izbor metode slojevite izrade [33], sortirani su u dvije skupine, od kojih je prva pod nazivom utjecajni kriteriji (Eng. Influential Criteria). Ova skupina se sastoji iz niza pitanja prikazanih u primjeru 3. Primjer 3.: Utjecajni kriteriji za izbor optimalne metode Odabir troškova izrade uvjetovanih CAD modelom? (Eng. Select amount of production costs required by CAD model?) Odabir odgovarajućeg vremena izrade uvjetovanog CAD modelom? (Eng. Select appropriate production time required by CAD model?) Odabir preciznosti izrade uvjetovane CAD modelom? (Eng. Select level of production accuracy required by CAD model?) Odabir game materijala dostupnih za izradu uvjetovanih CAD modelom? (Eng. Select range of materials available for production required by CAD model?) Odabir odgovarajućih mehaničkih osobina uvjetovanih CAD modelom? (Eng. Select appropriate mechanical properties required by CAD model?) Primjer dijela pravila, gdje se od korisnika traži da definira ograničenja u pogledu odgovarajućeg izbora metode, ogleda se kroz primjere 4 i 5. Primjer 4.: Pravilom definiran izbor metode za kriterij visoka preciznost IF: Define module of your interest in this session: LM system selection AND: Define selection criteria: LM based on influential criteria 182

193 AND: THEN: Select level of production accuracy required by CAD model: High accuracy is needed SLA:: Confidence = [Production_Accuracy.CHECK High_accuracy_is_needed] [Note_SLA.ADDVAR] [Production_Accuracy.VALUE] 3D PRINT:: Confidence = [Production_Accuracy.CHECK High_accuracy_is_needed] [Note_3D_PRINT.ADDVAR] [Production_Accuracy.VALUE] Primjer 5.: Pravilom definiran izbor metode za kriterij niska preciznost IF: Define module of your interest in this session: LM system selection AND: AND: THEN: Define selection criteria: LM based on influential criteria Select level of production accuracy required by CAD model: Low accuracy is acceptable SLS:: Confidence = [Production_Accuracy.CHECK Low_accuracy_is_acceptable] [Note_SLS.ADDVAR] [Production_Accuracy.VALUE] Iz pravila 4 i 5 jasno se vidi da sistem, za zadani kriterij preciznost izrade, ispisuje listu metoda koje mogu osigurati visoku preciznost modela, a isto tako ispisuje i one metode koje to ne mogu. Druga skupina kriterija pod nazivom dodatni zahtjevi (Eng. Additional Requirements), odnose se na određene pojedinosti koje dolaze na neki način iz drugog plana, a koje mogu igrati presudnu ulogu pri odabiru. Razlog tomu jeste, što je ova skupina kriterija na neizravan način povezana sa određivanjem parametara iz prve skupine. Uređenost ove skupine je realizirana kroz niz pitanja prikazanih u primjeru

194 Primjer 6.: Dodatni zahtijevi za izbor optimalne metode Mogućnost dodatne potpore tijekom procesa izrade? (Eng. Possibility of additional support during built process?) Mogućnost post-obrade nakon procesa izrade? (Eng. Possibility of post-processing after built process?) Zahtjev za dodatni prostor u radnom okruženju tijekom procesa izrade? (Eng. Requirement for additional space in work area during built process?) Željena veličina proizodnih dijelova? (Eng. Desirable production size of parts?) Ponekad se CAD model koristi samo za vizualizaciju i ispravnost dizajna određenog proizvoda, odnosno sklopa, pa se iz tog razloga ocjenjuje njegova estetska vrijednost. Međutim, CAD model se može koristit i za ispitivanje određenih funkcionalnih i ergonomskih vrijednosti. Obzirom na namjenu određenog proizvoda, često se razlikuju zahtjevi u pogledu kvalitete izrade koju je potrebno ostvariti tehnologijom. Ako isti CAD model mora zadovoljiti sve prethodno navedene vrijednosti, odnosno značajke, kako bi se u konačnici dobio kvalitetan budući proizvod, neophodno je izvršiti segmentaciju modela odnosno zonsku podjelu. Broj segmenata u tom slučaju, ovisi o broju značajki koje pobliže određuju taj proizvod. Jedno takvo pravilo segmentacije primjenjeno je na konkretnom modelu ručke električnog uređaja (Slika 3.21) i ima oblik prikazan primjerom

195 Slika Definiranje segmentacije CAD modela [34] Primjer 7.: Pravilom definirana segmentacija modela IF: Define module of your interest in this session: Orientation and layer thickness selection AND: Model segmentation in one direction if does it make sense: Necessary AND: [Num_Number_of_Segments] =3 AND: Define feature for the first segment: Geometric feature AND: [Num_Surface_Level_s1] =1 AND: Define feature for the second segment: Aesthetic feature AND: [Num_Surface_Level_s2] =3 AND: Define feature for the third segment: Ergonomic feature AND: [Num_Surface_Level_s3] =2 185

196 THEN: Layer thickness has to be minimal for the first segment [t_min].: Confidence = 10 Layer thickness has to be maximal for the second segment [t_max].: Confidence = 10 Layer thickness has to be medium for the third segment [t_mid].: Confidence = 5 [Rec.ADD] Build orientation is in direction of model segmentation. [Rec.ADD] Reduce height of the support structure at the minimum. Iz pravila prikazanog u primjeru 7, može se vidjeti da je promatrani model podijeljen u tri segmenta, na temelju zahtijeva izrade (Slika 3.21). Prvi segment modela nosi težinu obavljanja funkcije i zbog toga se zahtijeva da proces izrade mora biti precizno izveden. Na osnovu iznesenog, aktualnom segmentu se dodjeljuje geometrijska vrijednost, a zatim sistem nudi korisniku da definira jednu od tri postojeće klase kvalitete izrade. Prva klasa podrazumijeva najkvalitetniji stupanj izrade, odnosno izradu sa najmanjom dozvoljenom debljinom sječenja, tako da zbog postizanja visoke preciznosti, segment se izrađuje u prvoj klasi. Preostala dva segmenta su bočni držači (segment 2) i ručka (segment 3), koji imaju estetsku, odnosno ergonomsku vrijednost i njima je dodijeljena treća, odnosno druga klasa kvalitete izrade. Orijentaciju modela unutar sistema slojevite izrade izravno diktira smjer segmentacije. Ukoliko se dogodi da svi segmenti imaju jednake debljine, inteligentni modul omogućuje korisniku da se vrati na početak sesije i odabere tretiranje modela kroz integralni pristup. Može se primijetiti, kako su unutar bloka na primjeru 7, vrijednosti debljina slojeva u pojedinim segmentima definirani confidence varijablom, dok je orijentacija definirana collection varijablom. Time se pokazuje važnost 186

197 pojedinih rješenja, pa se tako u ovom bloku prioritet daje debljini sloja koja igra glavnu ulogu pri segmentaciji, dok je orijentacija u podređenoj ulozi i ovisi o smjeru segmentacije. U situaciji kada se ni na temelju segmentacije, a ni na temelju utjecajnih kriterija nije u mogućnosti odrediti optimalna orijentacija, kao ni debljina sječenja, neophodno je pristupiti analizi modela, na način da se svaka površina tretira pojedinačno. Drugim riječima, korisnik izdvaja u prvi plan različite vrste površina, dodjeljujući svakoj pojedinačno odgovarajući pravac izgradnje. Odluku o konačnoj orijentaciji donosi ukupna vrijednost confidence varijable, dobivene partikularnim zbrojem vrijednosti ocjenjenih površina. Pravilo za pojedinačno tretiranje geometrije modela prikazano je u primjeru 8. Na temelju pravila prikazanom u primjeru 8, upravljanje orijentacijom proizlazi iz definiranja pojedinačnih vrijednosti. Vrijednost deset je najbolja ocjena koja se može dodijeliti za orijentaciju u smjeru z osi, dok je vrijednost nula najbolja ocjena koja se može dodijeliti za orijentaciju u smjeru x osi. Sve ostale ocjene u tom rasponu prave kompromis između dvije moguće orijentacije. Kako bi se dobile što kvalitetnije informacije na temelju kojih mehanizam zaključivanja može donijeti određena ciljna rješenja ili preporuke, u bazi znanja nalaze se značajke koje mogu činiti geometriju nekog modela. Takve značajke mogu biti: rupe i otvori, zaobljenja, skošenja, konusi ili čak potpuno ravne površine. Primjer 8.: Pravilom definirana pojedinačna geometrija modela IF: AND: AND: Define module of your interest in this session: Orientation and layer thickness selection Model segmentation in one direction if does it make sense: Unnecessary Select class of multicriteria analysis: Geometrical complexity 187

198 AND: Select approximate volume of CAD model: Cuboid AND: [Num_Cuboid_Orientation] <=10 THEN: (1) Build orientation along Z axis direction:: Confidence = [Num_Cuboid_Orientation]-0 [Rec.ADD] (1) Features axes of the highest values are parallel with Z axis of the machine! (2) Build orientation along X axis direction:: Confidence = 10-[Num_Cuboid_Orientation] [Rec.ADD] (2) Features axes of the lowest values are perpendicular on the Z axis of the machine! [Rec.ADD] Consider layer thickness with respect to required production influential criterion. [Rec.ADD] Reduce height of the support structure at the minimum. Korisnik u krajnjoj liniji ne mora čak ni da tretira površine pojedinačno. Odluka o željenoj orijentaciji se može donijeti na temelju volumena modela, gdje se u samo jednom potezu definira pravac izgradnje. U tom slučaju, model je oslobođen od utjecaja pojedinačne geometrije i na njegovu orijentaciju utječu dva glavna kriterija: preciznost izrade i vrijeme izrade (Slika 3.22). Ukoliko model zahtijeva bržu izradu, to će dovesti do povećanja površine dodira između modela i potporne strukture, čime će poziciju modela učiniti horizontalnom i samim tim stabilnijom unutar radne komore. Broj slojeva se reducira, čime se automatski postiže kraće vrijeme izrade. Sa druge strane, preciznost izrade kao kriterij stavlja model u vertikalnu poziciju, čime se dobiva na većem broju slojeva i dužem vremenu izrade, ali i smanjenju površine dodira između modela i potporne strukture. Međutim, u skladu s analiziranom geometrijom prikazanog modela, vertikalna orijentacija reducira efekt stubišta na minimum, čime automatski povećava kvalitetu završne površne. 188

199 Slika Orijentacija modela u ovisnosti o postavljenim zahtijevima izrade [33] Odluku o debljini sloja korisnik donosi na temelju kriterija koji definira orijentaciju. Važno je naglasiti da u ovom logičkom bloku, debljina sloja nema vrijednost koja je definirana confidence varijablom, što znači da se problem debljine sloja definira na razini preporuka koje pogoduju samom procesu. U usporedbi sa prethodno opisanim pravilom iz primjera 7, uloge su zamijenjene, pa tako ovdje orijentacija ima prioritetnu ulogu i važnost koja joj je dodijeljena confidence varijablom, dok debljina sloja ima podređenu poziciju i izravno ovisi o kriteriju koji definira orijentaciju. Ishodište radnog prostora stroja slojevite izrade nalazi se na dnu komore. Princip rada se zasniva na tome da se model uvijek radi u slojevima krećući se od dna prema vrhu, pa se stoga može zaključiti da se z osi dodjeljuju samo pozitivne vrijednosti, dok se x i y osi mogu dodjeljivati i pozitivne i negativne vrijednosti. Pravila koja u sebi nose definiciju radnog 189

200 prostora za višestruke modele, bilo da su isti ili različiti, smještena su unutar primjera 9. Primjer 9.: Pravilom definirana optimizacija višestrukih dijelova IF: Define module of your interest in this session: Orientation and layer thickness selection AND: AND: AND: THEN: Model segmentation in one direction if does it make sense: Unnecessary Select class of multicriteria analysis: Work space optimization for multiple parts Work space definition: Basic data about work space optimization [Rec.ADD] Collect all input files that can be processed by the system. [Rec.ADD] Insert all input files together into work space in order to enable the parts to be arranged with respect to several criteria. [Rec.ADD] Part arrangement need to be start at the bottom of the built chamber and each layer will be filled before going to the next layer. [Rec.ADD] Select the criteria by which to determine parts arrangement. [Rec.ADD] After parts arrangement, simulate building process in order to overcome possible problems or errors. Kako bi svi dijelovi bili izgrađeni, moraju prije svega imati odgovarajuće izvore radi učitavanja njihove geometrije. Jednom kada se geometrija učita, dijelove je neophodno međusobno volumenski usporediti zbog određivanja redoslijeda i položaja. To znači da svi oni moraju biti postavljeni unutar radnog prostora, počev od dna pa sve do vrha komore. Važno je da se komora popuni od samog dna, kako bi se izbjegao tzv. 190

201 prazan hod radne glave. Raspored dijelova se može odvijati na temelju više kriterija, a među ostalim i veličini, kvaliteti, brzini, brojnosti itd. Nakon definiranog rasporeda, poželjno je ali ne i obvezujuće da se prije same izrade pristupi simulaciji cjelokupnog procesa, kako bi se bilo u mogućnosti uočiti potencijalne probleme ili pogreške tijekom samog procesa. Iz prethodno navedenog, prvi put se vidi da su sva pravila u ovom bloku na razini preporuka, odnosno u formi collection varijabli. U pravilu prikazanog na primjeru 10, samo jedan kriterij se navodi kao ključan za određivanje procesa izrade. To je vrijeme izrade, koje govori kako se dijelovi trebaju dobiti na najbrži način. Mehanizam zaključivanja izvođenjem confidence varijable nudi maksimalnu debljinu sječenja kao ciljno rješenje. Pri tome se vidi da je važnost rješenja određena vrijednošću pet. Primjer 10.: Pravilom definirana optimizacija prostora IF: Work space definition: Same or Different multiple parts AND: THEN: Define key parameter which affect to the space utilization: Production time Layer thickness has to be maximal for entire model or segment part [t_max].: Confidence = 5 [Rec.ADD] Orient the longest side of parts along Y axis (minimize the total number of slices). [Rec.ADD] Reduce space between parts at the minimum along X axis. [Rec.ADD] Reduce height of the support structure at the minimum. Obzirom da je najveća vrijednost confidence varijable deset, ovim sistem ukazuje da ta debljina sloja nema visoki stupanj prioriteta, pa u tom slučaju maksimalna debljina sloja nije isključiva za proces izrade. 191

202 Osim toga, dane su i preporuke koje se odnose na reduciranje prostora između sortiranih dijelova i orijentiranje najdužih stranica modela duž horizontalne osi, kako bi se smanjio broj slojeva, pri tom sugerirajući i reduciranje visine potporne strukture za izbjegavanje tzv. praznog hoda. Bolja kvaliteta površine doprinosi većoj preciznosti, što svakako olakšava proces montaže i nalijeganja funkcionalnih dijelova, točnije površina. U prvom redu, preciznost ovisi o efektu stubišta koji se pojavljuje na zakrivljenim ravninama. Efekt stubišta se ne može u potpunosti eliminirati, ali se može svesti na minimum odabirom odgovarajuće orijentacije i debljine sječenja. Primjer 11.: Pravilom definirana optimizacija za kriterij preciznost dijelova IF: AND: THEN: Work space definition: Same or Different multiple parts Define key parameter which affect to the space utilization: Accuracy of parts Layer thickness has to be minimal for entire model or segment part [t_min].: Confidence = 5 [Rec.ADD] The key surfaces based on function (aesthetic or ergonomic) need to be identified in the part, so that the part(s) could be oriented along right axis. [Rec.ADD] Accuracy could be obtained by keeping the surface perpendicular to the laser beam or spindle. [Rec.ADD] Maximize the area of non-stepped surfaces. [Rec.ADD] Minimize the poor features and maximize the good features built by the layered manufacturing process. 192

203 U tom pravcu, mehanizam zaključivanja koristi preciznost izrađenih dijelova kao kriterij u određivanju parametara procesa i izvođenjem confidence varijable nudi minimalnu debljinu sječenja kao ciljno rješenje. Međutim, vrijednost varijable je pet, što ukazuje, kao u prethodnom pravilu, da ta debljina sječenja nema visok stupanj prioriteta. Preporuke se odnose na prepoznavanje i isticanje površina temeljenih na funkciji i njihovo paralelno pozicioniranje na neku od osi stroja, što pokazuje pravilo u primjeru 11. Pravilo prikazano u primjeru 12, uređeno je na kriteriju brojnosti dijelova, gdje se ciljno rješenje ne nameće kao primarno, te je izostavljeno, pa se na razini preporuka ukazuje na neke parametre procesa. Fokus je na volumenskoj konfiguraciji dijelova i njihovom pravilnom sortiranju, dok debljina sječenja dolazi iz drugog plana i razmatra se u kombinaciji s ostalim kriterijima izrade. Primjer 12.: Pravilom definirana optimizacija za kriterij brojnost dijelova IF: AND: THEN: Work space definition: Same or Different multiple parts Define key parameter which affect to the space utilization: Number of parts [Rec.ADD] Consider layer thickness with respect to the required production accuracy or time or some other influential parameter. [Rec.ADD] Classify open volumes of parts regarding to the closed volumes of parts. [Rec.ADD] For parts having open volumes, smaller parts could be placed inside larger parts. [Rec.ADD] Parts arrangement according to the volume of the parts, starting from the largest one and descending to the smallest one. 193

204 [Rec.ADD] Arrange overhang area of each part along same axis in order to overcome collision between adjacent parts. Veliki dio dizajnerskog posla nije samo stvaranje novog koncepta, nego i izmjene već postojećeg. Ove izmjene imaju za cilj da vode ka poboljšanom proizvodu u smislu performansi, smanjenja težine i cijene koštanja. Navedene izmjene mogu biti klasificirane u dvije skupine, od kojih prva ima za cilj povećati vrijednost proizvoda prema kupcu, a druga smanjiti troškove prema proizvođaču. Kada se novi materijali primjene i pretvore u konačan proizvod, njegova vrijednost raste iznad osnovne vrijednosti. Koliko je zaista povećana vrijednost proizvoda ovisi o uočenoj vrijednosti od strane kupca, a to opažanje se određuje atributima koje osigurava dizajner. Vrijednosti variraju ovisno o socijalnom, tehnološkom ili ekološkom kontekstu, koji mijenjaju potrebu za korisnost proizvoda. Inženjerske metode se fokusiraju na povećanju razlike između cijene i vrijednosti. Nekada to ide u pravcu smanjenja cijene, nekada u pravcu povećanja vrijednosti, a nekada i jedno i drugo istovremeno. Pravilo koje uređuje ovo područje, prikazano je u primjeru 13. Primjer 13.: Pravilom definirane smjernice smanjenja troškova izrade IF: THEN: Select improvement direction: Cost reduction guidelines [Rec.ADD] Can any function and therefore its components be eliminated altogether or are any components redundant? [Rec.ADD] Can the number of components be reduced or can several components be combined into one? [Rec.ADD] Is there a simpler alternative or is there an easier assembly sequence or is there a simpler shape? [Rec.ADD] Is there a satisfactory cheaper material or can the method of manufacture be improved? 194

205 [Rec.ADD] Can parts be standards rather than specials or can dimensions be standardized or modularized or can components be duplicated? Iako cijena proizvoda igra možda i najvažniju ulogu u njegovoj eksploataciji, inženjerske analize su više fokusirane na povećanje vrijednosti proizvoda. Tako npr., u prethodnom pravilu stoji da u cilju reduciranja cijene, u prilog ide eliminacija pojedinih funkcija, što je dijametralno suprotno inženjerskom pristupu vrednovanja proizvoda, koji ide u pravcu poboljšanja te funkcije, pa čak i povećanja broja funkcija. Dakle, uvijek se teži ka povećanju odnosa cijena-vrijednost. Jedno od najznačajnijih načina povećanja vrijednosti proizvoda, bez neophodnog povećanja cijene koštanja, leži u unaprjeđenju njegovog jednostavnijeg korištenja. Međutim, slična načela mogu se primijeniti na skoro sve strojeve, odnosno dijelove strojeva. Njihovo korištenje mora biti jednostavno, nedvojbeno i udobno. Atributi u formi smjernica koji najviše doprinose kvaliteti, odnosno povećanju vrijednosti proizvoda, obuhvaćeni su sljedećim pravilom, prikazanim u primjeru 14. Primjer 14.: Pravilom definirane smjernice povećanja vrijednosti proizvoda IF: Select improvement direction: Value improvement guidelines THEN: [Rec.ADD] Performance on aspects such as capacity, power, speed, accuracy or versatility. [Rec.ADD] Freedom from breakdown or malfunction; performance under varying environmental conditions. [Rec.ADD] Secure, hazard-free operation. [Rec.ADD] Simple, infrequent or no maintenance requirements. 195

206 [Rec.ADD] Except for disposable products, a long lifetimewhich offers good value for the initial purchase price. [Rec.ADD] Little or no unpleasant or unwanted by-products, including noise and heat. Navedene smjernice imaju za cilj povećati ili zadržati postojeću vrijednost proizvoda prema njegovom kupcu i u isto vrijeme smanjiti njegove troškove prema samom proizvođaču. Sva pravila koja se odnose na poboljšanje dizajna, mogu se opisati kroz proceduru, koja se najprije sastoji od sastavljanja liste odvojenih komponenti proizvoda i prepoznavanja funkcije svake od njih. Poželjno bi bilo prikazati i dijagrame funkcija komponenti, a zatim odrediti vrijednosti prepoznatih funkcija i troškove i na kraju izvršiti evaluaciju varijantnih rješenja i dobiti poboljšanja kao rezultat provedene procedure. 3.3 Rezultati primjene ekspertnog sistema Testiranje sistema predstavlja važan korak u razvoju inteligentnog korisničkog sučelja. Rezultati koji se dobiju testiranjem, veoma su važni s aspekta mogućih korekcija u samom sistemu sa jedne strane i u isto vrijeme dokazivanje praktičnih vrijednosti modela proizvoda sa druge strane. Za te potrebe, svi dijelovi inteligentnog korisničkog sučelja moraju biti sinkronizirani i potpuno funkcionalni. Izgrađena baza znanja i mehanizam zaključivanja moraju biti na pravilan način uvezani u skladnu cjelinu i obuhvaćeni korisničkim sučeljem. Testiranje sistema nad modelom ručice mjenjača automobila (Slika 3.16), prolazi kroz nekoliko faza, a koje predstavljaju sljedeće cjeline: Testiranje i evaluacija razvijene baze znanja; Testiranje djelovanja mehanizma zaključivanja; Testiranje interakcije i nedvosmislenosti korisničkog sučelja; Validacija modela sistema. Najprije se sistem testira u sferi odabira najpogodnije, tj. optimalne metode slojevite izrade, koja bi omogućila kvalitetu i zadovoljenje svih 196

207 zahtijeva kojih postavlja prije svih namjena budućeg proizvoda. Rezultati djelovanja mehanizma zaključivanja, koje sistem u ovoj fazi nudi za postavljene uvjete, prikazani su u rasčlanjenim cjelinama, svaki sa svojom odgovarajućom težinskom vrijednošću (Slika 3.23). Kriteriji odabira metode baziraju se na utjecajnim značajkama koji definiraju ukupnu vrijednost dijela. Po prikazanim rezultatima dobivenim od stane sistema, selektivno lasersko sinteriranje (SLS) se nameće kao metoda koja ispunjava najveći dio zahtijevanih kriterija, što pokazuje i sama vrijednost confidence varijable. Između ostalog, SLS osigurava niske troškove i kratko vrijeme izrade, široku gamu raspoloživih materijala potrebnih za izradu svakog od dijelova (segmenata) budućeg proizvoda, kao i visoke mehaničke karakteristike potrebne za obavljanje funkcijskih zadaća, koje se primarno odnose na prvu zonu modela. Najnižu vrijednost confidence varijable po rezultatima ima stereolitografija (SLA), koja od svih zahtijevanih kriterija, može jedino da osigura visoku preciznost izrađenih površina. 3D ispis (3D Print) metoda predstavlja na neki način srednje rješenje, odnosno djellomično zadovoljenje postavljenih uvjeta. 197

208 Slika Rezultati testiranja sistema odabir tehnologije [33] U sljedećoj fazi, sistem tretira model dijeljenjem integralne cjeline u odgovarajuće segmente ili zone. Cijeli proces se odvija na način da se na postavljeni upit definira ukupan broj zona, a zatim se u nastavku dodjeljuju značajke svakoj odabranoj zoni, kako bi se na kraju unijele informacije o razredu kvalitete, odnosno preciznosti izrade. Za postavljene uvjete, sistem nudi ciljna rješenja koja se odnose na debljinu sječenja modela i preporuke za moguću orijentaciju modela (Slika 3.24). Kako bi korisnik dobio jasnu sliku o preporukama koje treba implementirati, grafički prikaz ponuđenog rješenja daje jasnu i nedvosmislenu sliku (Slika 3.25). 198

209 Slika Rezultati testiranja sistema segmentacija modela [33] Slika Grafički prikaz ponuđenog rješenja za zadani model [33] 199