EWOLUCJA KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA W PROCESIE PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNYM OPAKOWAŃ SZKLANYCH

EWOLUCJA KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA W PROCESIE

PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNYM OPAKOWAŃ SZKLANYCH

Sylwester Oleszek

1Pol-Am-Pack S.A.

asylwester.oleszek@canpack.eu

Streszczenie

Celem pracy jest przegląd rozwoju technik komputerowego wspomagania w procesie projektowo- konstrukcyjnym opakowań szklanych, począwszy od najprostszych programów dwuwymiarowych, poprzez trójwymiarowe, systemy PDM, aż po najbardziej zaawansowane systemy projektowania opartego na wiedzy KBE.

Słowa kluczowe: CAx, PDM, opakowania szklane, KBE

EVOLUTION OF THE COMPUTER AIDED TECHNIQUES OF DESIGNING GLASS CONTAINERS

Summary

The purpose of this paper is to trace the development of the computer aided techniques of designing glass containers from its earliest 2D forms, through more advanced 3D, next PDM systems, to the present the most advanced knowledge based engineering systems KBE.

Keywords: CAx, PDM, glass containers, KBE

1. WSTĘP

Konstruowanie opakowania szklanego jest tylko jednym z etapów procesu rozwoju nowego produktu (ang. New Product Development, NPD), jednak jest to etap najważniejszy. To właśnie w procesie konstruowania należy bowiem uwzględniać aspekty wszystkich kolejnych etapów jego istnienia [5], a więc przede wszystkim względy marketingowe, ekonomiczne, technologiczne, produkcyjne i logistyczne. Wszystkie powyższe względy uogólnić można do dwóch czynników, z których wypływają wszystkie inne, a które mają decydujący wpływ na ostateczną postać opakowania: funkcja, jaką ma pełnić opakowanie oraz ograniczenia technologii produkcyjnej.

Funkcje spełniane przez opakowania to:

• zabezpieczanie wartości użytkowej towaru przed zepsuciem lub zniszczeniem (funkcja ochronna),

• promowanie produktów znajdujących się wewnątrz opakowania (funkcja promocyjno- sprzedażna),

• umożliwienie przemieszczania, składowania i użytkowania (funkcja organizacji pracy),

• identyfikowanie i odróżnianie produktów (funkcje: informacyjna, ekologiczna i edukacyjna) [3].

Ograniczenia technologiczne uwarunkowane są głównymi cechami tworzywa, jakim jest szkło.

Zadaniem konstruktora pracującego nad nowym produktem jest zatem pogodzenie wszystkich powyż- szych aspektów i utworzenie wirtualnej reprezentacji opakowania będącej zbiorem geometrycznych cech konstrukcyjnych oraz cech tworzywowych, które będą odzwierciedlały jego strukturę zewnętrzną oraz we- wnętrzną [2]. W celu osiągnięcia maksymalnej wydaj-

ności konstruktor powinien mieć możliwość korzysta- nia z wszelkich dostępnych metod i środków wspoma- gających proces konstruowania w tym również przy- śpieszających podejmowanie decyzji.

2. RYS HISTORYCZNY METOD PROJEKTOWANIA

ORAZ PROGRAMÓW CAx

STOSOWANYCH W PRZEMYŚLE OPAKOWAŃ SZKLANYCH

Ręczne tworzenie dokumentacji technicznej opakowań szklanych przysparzało wielu problemów i zajmowało czasami – w przypadku skomplikowanych i grawerowanych wyrobów – bardzo dużo czasu.

Oprócz samego rysowania należało uporać się również z obliczeniami pojemności (w przypadku nieokrągłych opakowań stanowiło to czasami spore wyzwanie), przyjęciem odpowiednich skurczów technologicznych, wprowadzeniem pochyleń umożliwiających otwarcie formy itd. (rys.1).

Rys.1. Rysunek butelki wykonany manualnie [archiwalne zbiory firmy Pol-Am-Pack S.A.]

Wprowadzenie wirtualnej deski kreślarskiej, czyli pierwszych programów do projektowania, tylko częściowo rozwiązało ten problem. Przyśpieszyło to proces rysowania i umożliwiało szybkie dokonywanie zmian, jednak z uwagi na fakt, że dokumentacje ciągle wykonywane były tylko w 2D, inne niedogodności pozostały (rys.2).

Rys.2. Rysunek wykonawczy butelki wykonany za pomocą klasycznego programu CAD [archiwalne zbiory firmy Pol-Am-

Pack S.A.]

Dopiero zastosowanie programów umożliwiających tworzenie objętościowych modeli 3D stało się swego rodzaju rewolucją. Po utworzeniu szczegółowego modelu geometrycznego możliwe stało się wszechstronne wielokrotne wykorzystanie go w wielu innych obszarach projektowania i wytwarzania [1].

Dane, których nośnikami mogą być modele tworzone przy wykorzystaniu systemów CAx, można podzielić na cztery grupy:

• dane graficzne, definiujące grafikę wektorową 2D i 3D,

• dane geometryczne, reprezentowane przez odpowiednie modele 2D (wymiary, rzuty, adnotacje) lub 3D (modele powierzchniowe, bryłowe, hybrydowe),

• dane rysunkowe, które odnoszą się do poszczególnych rysunków, zazwyczaj wykonawczych lub złożeniowych,

• dane modelu produktu, zawierające strukturę produktu, specyfikację list elementów i indeksów materiałowych, warianty produktu, specyfikację zmian konstrukcyjnych [1].

W przypadku opakowań szklanych bardzo łatwe stało się przypisanie modelowi parametrów fizycznych szkła (masa, gęstość) i w bardzo prosty sposób odczytanie wartości objętości całkowitej ze szkłem, objętości mierzonej do poziomu napełnienia opakowania, teoretycznej grubości ścianki, maksymalnego kąta wywrotu, skurczu temperaturowego i wielu innych.

Wszystkie nowoczesne współcześnie stosowane programy CAx w sposobie modelowania opierają się na tzw. technice modelowania obiektowego (ang. Feature Modelling), a mianowicie modelowania na podstawie zorientowanych graficznie obiektów (ang. Feature Based Modelling). W technice tej obiekty (ang.

Features) są określane jako grupa cech geometrycznych, najczęściej 3D, które mają specyficzne właściwości konstrukcyjne i technologiczne [1]. Innymi słowy, są to predefiniowane elementy postaci geometrycznej, które są umieszczane przez system na modelu po zdefiniowaniu przez użytkownika wymaganych parametrów (wymiarów, referencji) [4].

Drugą kluczową cechą nowoczesnych systemów CAx jest możliwość modelowania na podstawie techniki parametrycznej (ang. Parametric Modelling Technique). Modelowanie parametryczne jest ściśle powiązane z modelowaniem obiektowym – wiąże cechy geometryczne zmiennymi konstrukcyjnymi i w ten sposób pozwala nimi sterować. W ten sposób na dowolnym etapie tworzenia modelu można zmienić wcześniej utworzony wymiar lub parametr, a model, złożenie oraz powiązane z nimi elementy zostaną automatycznie zaktualizowane w celu uwzględnienia wprowadzonych zmian. Ma to szczególnie duże znaczenie podczas projektowania opakowań o bardzo złożonej postaci. W niektórych sytuacjach nawet niewielkie zmiany w początkowych cechach powodują po zaktualizowaniu modelu znaczną zmianę w pojemności opakowania.

Najbardziej rozpowszechnionymi w branży opakowań szklanych programami CAx są: Creo Parametric oraz NX. Są one stosowane zarówno do projektowania samych opakowań jak również elementów formujących oraz innego oprzyrządowania.

Poza rozbudowanymi kompleksowymi możliwościami, systemy CAx oferują bardzo dobre możliwości wizualizacji poprzez wbudowane moduły służące do renderingu, jak na przykład ARX (ang. Advanced Rendering Extension) Creo Parametric. Ma to szczególne znaczenie w rozwoju nowego projektu, gdyż pozwala zaprezentować klientowi jak będzie wyglądało nowe opakowanie i dzięki temu udaje się czasami

uniknąć potrzeby tworzenia prototypu. Na rys. 3 przedstawiono przykład wizualizacji modelu butelki wykonanej z użyciem modułu ARX.

Rys.3. Przykład wizualizacji opakowania szklanego wykonanej w nowoczesnym systemie CAx

Wraz z rozwojem funkcjonalności programów CAx rozwijały się formaty zapisu i wymiany danych. Za początek procesu normalizacji można uznać rok 1981, kiedy to została zatwierdzona przez ANSI norma IGES 1.0 (ang. Initial Graphics Exchange Specification).

Drugim ważnym rokiem w tym procesie jest 1995, gdyż wtedy utworzono normę ISO 13003, nazywaną normą STEP (ang. Standard for Exchange of Product Model Data), która określa zasady modelowania pro- duktu i procesów jego wytwarzania za pomocą technik CAx [1]. Obecnie formaty IGES oraz STEP są naj- ważniejszymi i najbardziej popularnymi standardami wymiany danych nie tylko pomiędzy programami CAx, ale również pomiędzy wszelkimi innymi, w których istnieje konieczność korzystania z modeli, jak na przykład programy do edycji grafiki i video (3D Studio Max, Maya, Rhino, Blender), programy AR (ang. Augmented Reality), oprogramowanie do specja- listycznych symulacji rozkładu szkła w przedformie i formie (NOGRID pintsBlow, Elfen GD) i wiele innych.

3. SYSTEMY PDM

Kolejnym elementem, który wprowadził istotną rewolucję do procesu konstruowania opakowań szklanych, był rozwój systemów PDM (ang. Product Data Management). Mimo iż rozwój tego typu systemów nastąpił już w początkach lat dziewięćdziesiątych, to jednak powszechne ich zastosowanie w biurach konstrukcyjnych hut szkła rozpoczęło się stosunkowo niedawno. Dynamiczne zmiany na rynku objęły również przemysł opakowaniowy. Coraz silniejsza konkurencja oraz dążenie do coraz większego udziału w poszczególnych segmentach rynku przez wprowadzanie nowych produktów wymuszało skracanie cyklu ich rozwoju oraz elastyczne dostosowywanie się do gustów pojedynczego klienta [1]. Szczególnie wyraźnie można to zaobserwować na przykładzie walki, jaka toczy się np. pomiędzy przemysłem opakowań szklanych

a opakowań PET i puszek aluminiowych, jak również w dywersyfikacji butelek na piwo, jaka dokonała się w ostatnich latach. Oprócz tego, że praktycznie każdy liczący się na rynku browar posiada swoje własne opakowanie, to te największe posiadają po kilka zastrzeżonych wzorów opakowań przeznaczonych na flagowe produkty. Trudno wyobrazić sobie, że przecież jeszcze 6 – 7 lat temu istniało na naszym rynku zaledwie kilka standardowych butelek piwnych, z których korzystały wszystkie browary.

Kolejnym czynnikiem był rozwój na płaszczyźnie współpracy producenta wyrobu finalnego z poddostawcami i kooperantami. Często współpraca taka rozszerza się na wspólne prace badawczo- rozwojowe [1], jak na przykład w przypadku współpracy konstruktorów huty szkła z konstruktorami i technologami dostawcy elementów formujących lub współpraca projektantów huty szkła z agencją projektową podczas wypracowywania koncepcji kształtu nowego wzoru opakowania.

Ogromnego znaczenia nabrało również nadzorowanie i zarządzanie przebiegiem oraz organizacją pracy oraz wspomaganie podejmowania decyzji przy wykorzystaniu technik CAx, co zaowocowało najpierw określeniem istniejących, a następnie utworzeniem precyzyjnych sposobów przepływu informacji (najczęściej dokumentów) pomiędzy poszczególnymi komórkami biorącymi udział w jej przetwarzaniu w sposób, który można opisać algorytmem. Pojawiła się także potrzeba pracy grupowej nie tylko w obrębie jednego biura, ale w obrębie korporacji, w której poszczególne biura rozsiane są po całym kontynencie lub świecie.

Odpowiedzią na wszystkie te potrzeby były właśnie systemy PDM, takie jak np. Teamcenter firmy Siemens, Enovia od Dassault Systemes lub Windchill stworzony przez PTC. Oprócz wyżej wymienionych zalet okazały się one być remedium na wiele innych problemów. Biura konstrukcyjne, szczególnie te większe, zaczęły być zalewane coraz większą liczbą projektów, co wiązało się z ogromną liczbą danych w postaci modeli i rysunków, które dotychczas składowane były w tradycyjnej papierowej formie.

Dodatkowym problemem okazała się kontrola nad numeracją projektów oraz nad wersjonowaniem, czyli rejestracją zmian rysunkowych i zatwierdzeń, co ma z kolei wpływ na wyszukiwanie informacji. Przesył i dostępność danych również okazał się być bardzo ważny w aspekcie globalizacji i pracy grupowej.

Wszystkie te i wiele innych funkcji przejęły systemy PDM. CIMdata Inc. tak klasyfikuje podstawowe funkcje systemów PDM:

• zapis, przechowywanie oraz zarządzanie dokumentami (ang. Data Vault and Document Management),

• zarządzanie przebiegiem prac i procesów (ang.

Workflow and Process Management),

• zarządzanie strukturą produktu (ang. Product Structure Management),

• klasyfikacja i wyszukiwanie informacji (ang.

Classyfication and Retrieval),

• zarządzanie programami (ang. Programm Management),

• komunikacja i powiadamianie (ang.

Communication and Notification),

• przesyłanie i przetwarzanie danych (ang. Data Transport and Translation),

• przetwarzanie obrazu (ang. Image Services),

• administracja systemem (ang.

Administration) [1].

4. PROJEKTOWANIE OPARTE NA WIEDZY (KNOWLEDGE BASED ENGINEERING)

Najnowszym osiągnięciem w dziedzinie procesu projektowo-konstrukcyjnego w branży opakowań szklanych jest zastosowanie systemów opartych na wiedzy KBE oraz modeli autogenerujących (stosowanych też w innych gałęziach przemysłu).

Zakłada się, że około 80% całkowitego czasu potrzebnego na wykonanie projektu jest poświęcane na działania rutynowe, natomiast zaledwie 20% na działania twórcze, które mogą prowadzić do nowego i lepszego rozwiązania. Wynika z tego, że implementacja metod prowadzących do odciążenia konstruktora z zadań rutynowych i w rezultacie skrócenia czasu poświęcanego na te działania doprowadzi do zwiększenia czasu na działania innowacyjne, co może spowodować polepszenie rezultatów i wyników jego pracy.

W trakcie pracy nad modelem geometrycznym opakowania szklanego do takich rutynowych zadań można zaliczyć:

• wygenerowanie wstępnego zarysu korpusu, podstawy, piersi i szyjki opakowania,

• definiowanie i tworzenie postaci zagłębienia dna,

• definiowanie i dodawanie do modelu danych wejściowych i parametrów;

• pobranie z bazy danych i dodanie do złożenia zamknięcia,

• dodanie oznakowania oraz kodu kropkowego lub alfanumerycznego;

• umieszczenie na modelu elementów dekoracyjnych,

• graficzne oznaczanie poziomu napełnienia,

• definiowanie typu i umieszczanie na modelu moletki,

• dodawanie do modelu pozycjonera.

W tradycyjnej metodzie konstruowania w trójwymiarowym systemie CAx użytkownik tworzył

poszczególne elementy niezależnie od złożenia, a następnie dodawał je do podzłożeń, aby finalnie utworzyć złożenie końcowe. Często okazywało się, że niektóre elementy nie pasowały do siebie idealnie i wymagało to ręcznego dostosowania i korygowania błędów. W dużych złożeniach wprowadzanie korekt było pracochłonne i czasami po wykryciu znaczących różnic w wymiarach (na przykład w wysokości całego projektu) konstruktor musiał zlokalizować i dostosować każdy komponent, na który miała wpływ różnica.

Rys.4. Tradycyjne (na górze) i nowe podejście KBE do projektowania

W nowym podejściu konstruktor rozpoczyna proces konstruowania od pobrania z głównego repozytorium odpowiedniego do danego projektu szablonu w postaci głównego złożenia zawierającego wszystkie podzłożenia, a następnie wprowadza podstawowe informacje do projektu – dane wejściowe i parametry - poprzez arkusz. Informacje te używane są do sterowania całym złożeniem. Idea tradycyjnego oraz nowego podejścia do projektowania przedstawiona została schematycznie na rys. 4. Szablon stanowiący punkt wyjścia do budowania modelu geometrycznego zawiera szkielet konstrukcyjny w postaci krytycznych dla projektu wymiarów, bazy do nadbudowy modelu oraz strukturę cech.

Wszystkie główne zmiany do projektu wprowadzane są z najwyższego poziomu złożenia, a następnie automatycznie aktualizowane na całą strukturę złożenia. W trakcie pracy nad projektem konstruktor wychodząc od konceptu, wypracowuje ostateczny projekt, uruchamiając poszczególne programy KBE i w ten sposób uszczegóławiając model, a wszystkie zmiany na bieżąco są regenerowane i przenoszone do niższych poziomów złożenia.

Przykładowy szablon pokazany został na rys.5, a

kompletny model wykonany z wykorzystaniem tego szablonu na rys.6.

Modele wykonane tą metodą idealnie wpisują się w koncepcję działania systemów PDM, gdyż wszystkie wprowadzane przez konstruktora parametry używane są w tych systemach jako kryteria wyszukiwania.

Dodatkowo w systemie PDM mogą być składowane nie tylko gotowe produkty, ale również szablony do projektowania, dzięki czemu dostęp do nich mogą mieć wszystkie biura konstrukcyjno-projektowe organizacji.

Wprowadza to sytuację, w której zestandaryzowane zostają techniki projektowe wewnątrz całej organizacji.

Kolejną zaletą jest perspektywa rozwoju na przyszłość – wysoki poziom parametryzacji stanowi doskonały punkt wyjścia do rozbudowy systemu KBE do projek- towania opakowań o inne moduły, na przykład służące do tworzenia wizualizacji, obliczeń MES, projektowa- nia form lub optymalizacji.

5. PODSUMOWANIE

Ewolucja, jaką przeszedł proces projektowo- konstrukcyjny opakowań szklanych na przestrzeni kilkudziesięciu lat, wynika z wielu czynników.

Początkowo głównym powodem prowadzenia prac badawczo-rozwojowych w tym kierunku była chęć zmniejszenia liczby produkcji pilotażowych oraz zmian w dokumentacji i narzędziach formujących po każdej z nich. W miarę jak zmieniał się rynek i następowała coraz większa dywersyfikacja zamówień oraz zmniejszanie poszczególnych partii produkcyjnych pojawiła się potrzeba skrócenia procesu projektowo- konstrukcyjnego, co z kolei wpłynęło na powstawanie większej niż przedtem liczby dokumentacji technicznych, którą trzeba było zarządzać (składować, oznaczać, wersjonować itd.). Rozpoczęły się pierwsze dążenia standaryzacyjne. Coraz większa konkurencja ze strony innych rodzajów opakowań, które posiadały zalety, jakich nie posiada szkło, wyznaczyła nowe kierunki rozwojowe w dziedzinie projektowania, które trwają do dzisiaj – nieustanne dążenie do zmniejszania masy opakowań (ang. lightweighting), coraz większe wymagania jakościowe oraz coraz bardziej zaawansowane kształty. Wszystkie te nowe dążenia wymusiły doprowadzanie projektu do poziomu niegdyś nieosiągalnego. Narastające procesy globalizacyjne i szybki rozwój Internetu umożliwiły wymianę doświadczeń i tworzenie się międzynarodowych zespołów projektowych. Zaczęto gromadzić wiedzę, przetwarzać ją i stosować w zupełnie nowy, efektywniejszy sposób.

W przyszłości należy spodziewać się dalszego rozwoju metod projektowania opartych na wiedzy, jak również większego zaangażowania biur w rozwój technik badań wytrzymałościowych opakowań na etapie projektowania. Obecnie niekwestionowanym liderem w tej dziedzinie jest amerykańska firma AGR

(American Glass Research). Podejmowane są również próby zwiększenia wpływu na wczesne etapy powstawania projektu poprzez pogłębienie współpracy

z klientem, badanie trendów rynkowych oraz większe niż dotychczas angażowanie konstruktorów w działania marketingowe.

Rys.5. Przykładowy szablon służący do projektowania opakowań stanowiących bryły obrotowe (notacja programowa)

Rys.6. Model gotowego wyrobu wykonany z użyciem KBE (notacja programowa)

Literatura

1. Chlebus E.: Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji. Warszawa: WNT, 2000.

2. Dietrych J.: System i konstrukcja. Warszawa: WNT, 1985.

3. Hales C. F.: Opakowanie jako instrument marketingu. Warszawa: PWE, 1999.

4. Shih R. H.: Parametric modelling with Creo Parametric 3.0. 2014, SDC Publications.

5. Skarka W.: Metodologia procesu projektowo-konstrukcyjnego opartego na wiedzy. Monografia. Gliwice: Wyd.

Pol. Śl., 2007.