W dzisiejszych czasach projektowanie przy pomocy technologii CAD (Computer-Aided Design) jest nieodłącznym elementem nowoczesnej inżynierii i architektury. CAD umożliwia tworzenie trójwymiarowych modeli z niespotykaną wcześniej precyzją, co pozwala projektantom na wizualizację, analizę oraz optymalizację projektów na bardzo wczesnym etapie. Dzięki technikom modelowania 3D można testować wytrzymałość i funkcjonalność konstrukcji, przewidywać ich zachowanie w różnych warunkach oraz, co szczególnie ważne, unikać kosztownych błędów już w fazie projektowej.

Modele 3D są kluczowym narzędziem, które zmienia sposób myślenia o procesach produkcyjnych i projektowych. W CAD tworzy się modele nie tylko po to, by je zobaczyć, ale przede wszystkim by je analizować i udoskonalać. Programy CAD stosowane są w niemal każdej dziedzinie techniki – od projektowania budynków i infrastruktury, przez motoryzację, przemysł lotniczy, aż po tworzenie biżuterii, mebli oraz przygotowywanie modeli na potrzeby druku 3D. Dzięki CAD możliwe jest prototypowanie produktów oraz dostosowanie ich do specyficznych potrzeb, co zwiększa jakość finalnych projektów i skraca czas wdrażania na rynek.

Modelowanie bryłowe – To podstawowa technika modelowania, w której obiekty tworzy się, dodając lub odejmując proste bryły geometryczne, takie jak prostopadłościany, walce czy sfery. Modelowanie bryłowe jest szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej, architekturze i projektowaniu produktów. Umożliwia ono tworzenie zarówno prostych, jak i złożonych kształtów, które można następnie analizować pod kątem wytrzymałości i właściwości strukturalnych. Grupa zajmująca się modelowaniem bryłowym omówi zalety i ograniczenia tej metody, narzędzia, jakie można stosować, oraz jej zastosowania w różnych dziedzinach techniki.

Modelowanie powierzchniowe – Modelowanie powierzchniowe umożliwia tworzenie skomplikowanych, gładkich powierzchni o precyzyjnie zdefiniowanych krzywiznach. Jest to technika bardziej zaawansowana od modelowania bryłowego i wymaga lepszych umiejętności oraz często bardziej zaawansowanego sprzętu komputerowego. Stosowana jest przede wszystkim w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, gdzie projektowane są złożone kształty, takie jak karoserie pojazdów, obudowy urządzeń czy aerodynamiczne elementy skrzydeł. Grupa odpowiedzialna za modelowanie powierzchniowe zaprezentuje zalety tej techniki, przykłady zastosowania oraz wymagania sprzętowe.

Modelowanie parametryczne – Modelowanie parametryczne pozwala projektantom na tworzenie modeli, które można łatwo modyfikować przez zmianę parametrów takich jak wymiary, kąty i proporcje. Dzięki tej metodzie zmiany projektowe mogą być wprowadzane szybko i efektywnie, co jest nieocenione w inżynierii i projektowaniu przemysłowym. Przykładem mogą być modele produktów, które wymagają wielokrotnych zmian w zależności od wymagań klienta lub specyfikacji produkcji. Grupa zajmująca się modelowaniem parametrycznym omówi koncepcję parametryzacji, pokaże przykłady jej zastosowania oraz przedstawi korzyści płynące z tej metody, szczególnie w kontekście optymalizacji projektów.

Druk 3D i przygotowanie modeli CAD do druku – Druk 3D przynosi rewolucję w projektowaniu, pozwalając na szybkie prototypowanie i produkcję małoseryjną bez konieczności używania form czy skomplikowanych maszyn. Grupa zajmująca się drukiem 3D zbada, jak przygotować modele 3D z myślą o druku, uwzględniając ograniczenia technologiczne i wymagania materiałowe. Przykłady zastosowań obejmują prototypowanie elementów mechanicznych, drukowanie medycznych implantów, a nawet elementów architektonicznych. Grupa wyjaśni również, jakie aspekty projektowania są kluczowe dla prawidłowego drukowania modeli oraz omówi najnowsze trendy w tej dziedzinie.

Lista popularnych programów do projektowania CAD, zarówno dla początkujących, jak i zaawansowanych użytkowników:

• AutoCAD (Autodesk)

Jeden z najpopularniejszych programów CAD, oferujący szerokie możliwości projektowania 2D i 3D. Znajduje zastosowanie w architekturze, inżynierii oraz wielu innych branżach.

• Fusion 360 (Autodesk)

Program łączący funkcje CAD, CAM i CAE, idealny do projektowania mechanicznego, symulacji i produkcji. Fusion 360 jest popularny w branży inżynieryjnej i dla zastosowań w druku 3D.

• SolidWorks (Dassault Systèmes)

Profesjonalne oprogramowanie CAD 3D wykorzystywane głównie w inżynierii mechanicznej, projektowaniu produktów oraz modelowaniu przemysłowym.

• FreeCAD

Darmowy, open-source’owy program do modelowania parametrycznego, szczególnie przydatny w projektowaniu produktów mechanicznych i architektonicznych.

• Blender

Chociaż pierwotnie przeznaczony do modelowania artystycznego, Blender jest również stosowany do prostych projektów CAD. Oferuje zaawansowane funkcje modelowania i renderowania 3D.

• Tinkercad (Autodesk)

Prostota obsługi sprawia, że jest idealny dla początkujących i edukacji. Tinkercad umożliwia projektowanie 3D online i tworzenie modeli gotowych do druku 3D.

• Rhino (Rhinoceros)

Program do zaawansowanego modelowania powierzchniowego i parametrycznego, wykorzystywany w projektowaniu przemysłowym, jubilerstwie, architekturze i innych branżach wymagających precyzyjnego modelowania 3D.

• SketchUp

Intuicyjny program, popularny w architekturze i projektowaniu wnętrz, znany z łatwości obsługi i szybkiego tworzenia modeli 3D. Wersja podstawowa jest dostępna za darmo.

• BricsCAD

Alternatywa dla AutoCAD, oferująca narzędzia do projektowania 2D i 3D oraz obsługę formatu DWG. Popularny w projektowaniu architektonicznym i inżynierskim.

• Creo (PTC)

Zaawansowany program do projektowania CAD 3D, często wykorzystywany w inżynierii i produkcji przemysłowej. Oferuje rozbudowane funkcje parametryczne i symulacyjne.

Każdy z tych programów posiada unikalne funkcje i zastosowania, które można dopasować do różnych potrzeb projektowych w zakresie CAD.

Today, we will work using the WebQuest method. The prepared lessons will take approximately 10 hours and will help you get familiar with the design and functioning of CNC machines. We will discuss together whether CNC (numerically controlled) machines are likely to become the machines of the future. What is the likelihood that CNC machines will replace conventional machines on the market?

Your task will be to present selected types of CNC machines to the class in the form of a presentation, explaining their technical capabilities, differences compared to conventional machines, and the technical parameters of the chosen CNC machines.

After reviewing your presentations, we will have time to discuss which of these machines you think are truly useful and which are unnecessary gadgets.

You will work in four groups. Each group will prepare a presentation covering one of the topics listed below:

• What are CNC machines – numerically controlled?

• Technical capabilities of CNC machines

• The history of CNC machines

• Comparison of CNC and conventional machines

In your presentation:

• Provide examples.

• Express your opinion.

• Use expert advice.

• Compare the technical parameters of the selected devices.

• Show the technical capabilities of the described devices.

At the end of the process, we will discuss whether CNC machines have the potential to completely replace conventional machines, whether CNC is the technology of the future, and whether it is worth investing in them and if it will be cost-effective.

During the lessons, the following will be assessed:

• Engagement in group work.

• The quality of the presentation.

• Contribution to the discussion.

CNC Machines, What Are They?

CNC, or Computerized Numerical Control, is an increasingly common type of machine used for lathes, mills, EDM machines, and many other devices. It’s no surprise that they are increasingly chosen – they ensure repeatable results, faster work, and precision that is incomparable to manual work.

CNC machines operate based on a control system that uses a microcomputer to manage the entire process. The precision and repeatability of the work is achieved through a closed-loop feedback system that ensures each machine element returns to its original position after completing the task, and its position is continuously corrected based on the controller’s instructions.

How are CNC Machines Programmed?

Programming CNC machines is a two-step process. First, computer-aided design (CAD) is performed, which is then translated into a "language" that the machine understands – a machine control plan (CAM). This is followed by the actual machining process (CNC).

In practice, CNC machine programming mostly involves entering alphanumeric codes using the built-in user interface, which not only allows for data entry but also enables communication with the machine operator, displaying messages, enabling task execution, adjusting assumptions, moving the coordinate system, changing parameters, or analyzing progress during the execution of the loaded program.

To program CNC machines, interdisciplinary skills in programming, geometry, physics, and spatial visualization are essential. Until recently, manually entering the code into the machine was standard practice, but increasingly, pre-written control programs are used. Most commonly, instructions go through a conversion process into an understandable system of electrical pulses (CAM) using the reader. The decoder separates the information into those concerning shape, dimensions, and tool movement paths, as well as technological information, such as tool speed, work rate, or tool positioning.

Types of Control Systems

There are three popular types of control systems used by CNC machines:

Point control – responsible for positioning the tool in an exact location relative to the workpiece.

Path control – guides the tool along a specific path to complete the job.

Contour control – also called continuous control. This is a multi-plane control used for machining full solids or shapes, and can operate in 2D, 2½D, and 3D.

CNC Machines: The Future, Already in Use Today!

Although the use of computers in many sectors of life was once rare, it’s hard to imagine modern industrial plants without CNC machines. Despite automating the work process, the most important role is still played by the human and their programming skills. The end result – high repeatability, speed of production, and precision that is impossible to achieve with conventional devices – depends on the operator’s knowledge of the machine, technologies, and the conversion from CAD to CAM.

Conventional and CNC machines are both used for machining, particularly for cutting. Conventional machines are still widely used today, and many technological tasks do not require CNC machines. The accuracy provided by conventional machines is sufficient in many cases. These machines are used to prepare raw materials for further processing on CNC machines.