Какие САПР мы выбираем: 2D или 3D?

     ОБЗОРЫ

Изначально САПР были предназначены для автоматизации черчения. Но уже более 20 лет назад на сцену вышли трехмерные системы твердотельного моделирования, основу которых составляет не чертеж, а объемная компьютерная модель. Эти системы произвели в мире САПР настоящую революцию, в корне изменив подход к проектированию. Создание новой продукции значительно ускорилось, затраты и число ошибок сократились, процесс разработки стал более творческим. Тогда казалось, что дни 2D-продуктов сочтены. Но ничего подобного не случилось. Они не только живы, но и пользуются широким спросом. В чем секрет такой долговечности? Почему у 2D столько сторонников? Какие перспективы у 3D? Цель данной статьи - ответить на эти и другие вопросы.

Преимущества 3D

Основной недостаток 2D-проектирования состоит в том, что по чертежам бывает трудно представить, как изделие выглядит в пространстве. Поэтому предприятиям зачастую приходится сопровождать чертежи реальными прототипами, в роли которых выступает первое выпущенное изделие или первая партия. Ошибки в чертежах приходится исправлять на уже созданном изделии, что замедляет выпуск продукции и приводит к дополнительным затратам.

3D-системы, напротив, позволяют смоделировать изделие до создания чертежей или опытных образцов. Основным документом в этом случае является объемная компьютерная модель. В объемности и состоит одно из главных ее преимуществ. Если правда, что изображение стоит тысячи слов, то 3D-модель стоит тысячи чертежей. Неслучайно визуализация изделия занимает первое место в длинном списке преимуществ трехмерного моделирования. Ведь плоский чертеж статичен, а модель можно поворачивать и изучать с любой точки, меняя масштаб просмотра по своему желанию. При этом несложно заметить ошибки и нестыковки в проекте и оценить степень его соответствия исходному замыслу, а также выполнить проверку будущего изделия на собираемость, что крайне важно для последующего изготовления. "Благодаря использованию трехмерной технологии предприятие получает возможность качественнее и в более короткие сроки реализовать проект, найти ошибки еще до начала изготовления опытных образцов, а ведь исправление различных недочетов на стадии проектирования обходится в сотни раз дешевле, чем на этапе производства", - объяснил Олег Зыков.

Макетирование изделия в КОМПАС-3D помогло пермскому предприятию “Искра” выявить

около 60 конструкторских ошибок, допущенных при 2D-проектировании

Это мнение подтверждает аналитическая компания Aberdeen Group, которая в конце прошлого года провела опрос 520 промышленных предприятий, главным образом американских. По ряду показателей аналитики разделили участвовавшие в опросе фирмы на три класса: лучшие, средние и отстающие. Оказалось, что лишь за счет сокращения числа изменений в проектах "передовики" выпускают продукцию на 58 дней раньше и затрачивают на проектирование почти на 36 тыс. долл. меньше, чем "середняки".

Артем Аведьян, директор

по маркетингу PTC Russia

Но для проверки моделей недостаточно одного лишь визуального осмотра. Требуется более серьезное тестирование. 3D-технология помогает решить эту задачу виртуальными методами. Модели можно передавать в системы инженерных расчетов, предназначенные для всестороннего анализа изделий: на функциональность, прочность, долговечность, устойчивость к вибрации, управляемость, безопасность, ремонтопригодность, технологичность и т. д. "По 3D-моделям автоматически вычисляются массово-инерционные характеристики, объем и другие важные физические параметры проектируемых деталей и сборок. Это позволяет оптимизировать конструкцию с учетом различных физических свойств", - сказал Артем Аведьян. Такая возможность обеспечивает трехмерным методам проектирования огромное преимущество перед двумерными. Ведь в мире 2D существует лишь два варианта проверки: ручные вычисления и тестирование реальных макетов. Очевидно, что в обоих случаях требуются немалые денежные и временные затраты. Анализ виртуальных макетов обходится гораздо дешевле и к тому же позволяет проработать множество вариантов исполнения конструкций и выбрать наиболее оптимальное решение.

Все это обеспечивает огромную экономию. Аналитики из Aberdeen подсчитали, что за счет сокращения числа физических макетов наиболее успешные производители сложной продукции в среднем выпускают продукцию на рынок на 41 день раньше и тратят на изготовление опытных образцов каждого изделия на 14,5 тыс. долл. меньше предприятий среднего уровня.

Еще одно достоинство 3D-моделей заключается в том, что их можно передавать в системы подготовки производства, которые автоматически создают программы для станков с ЧПУ. Это значительно ускоряет производственный цикл. "Как только у заказчика появляется потребность в сквозной технологии - например, когда он покупает станок с ЧПУ и хочет изготовить на нем свое изделие, - ему сразу становятся очевидны преимущества 3D-систем", - отметил Артем Аведьян.

Объемные модели находят применение и на этапах, следующих за производством. С их помощью удобно разрабатывать интерактивную техническую и эксплуатационную документацию, маркетинговые материалы и презентации.

Серьезное преимущество 3D-моделирования заключается в свойственной этой технологии ассоциативности. Стоит изменить размер одной детали в сборке, как соответствующим образом поменяются размеры связанных с нею элементов, причем эти перемены будут отражены на чертежах и в спецификациях. В результате значительно сокращаются объем ручной работы и число ошибок, в то время как использование 2D-инструментов превращает внесение изменений в проект - а это неизбежно - в очень трудоемкий процесс.

Сергей Кураксин, генеральный

директор компании “Топ Системы”

И наконец, очень важное достоинство 3D состоит в возможности многократного использования спроектированной детали или узла для создания целого семейства аналогичных объектов. Ведь гораздо проще внести изменения в существующий проект, чем создавать его с нуля. Правда, для этого модель требуется хорошо проработать и сделать ее пригодной для дальнейшей модификации, а управление данными должно быть организовано так, чтобы нужные детали можно было быстро найти.

Таким образом, становится понятно, почему трехмерные САПР произвели революцию в работе инженеров. Общую идею сформулировал Павел Брук: "Теоретически в 2D-системах и даже на кульмане можно спроектировать все. Достаточно вспомнить, что, когда несколько десятков лет назад готовились первые полеты в космос и решались другие сложнейшие проектные задачи, 3D-продуктов не существовало даже в фантазиях. Но суть в том, что использование современных 3D-систем повышает эффективность проектирования в разы. Только с их помощью предприятие может создать цифровой прототип изделия и тем самым сократить количество ошибок, снизить число физических опытных образцов и затраты на производство, ускорить выпуск изделий на рынок, сконцентрироваться на решении задач бизнеса".

Долгое прощание c 2D

Но, несмотря на такие многочисленные достоинства, до полной победы 3D над 2D еще далеко. По данным Aberdeen Group, даже на Западе 85% инженеров применяют 2D-продукты. В нашей стране, судя по результатам недавнего опроса читателей PC Week/RE, картина примерно такая же (диаграмма 1).

Диаграмма 1. Какие САПР

применяются на вашем предприятии?

Почему же предприятия продолжают держаться за "плоское" проектирование? На это есть целый ряд причин. Прежде всего, не стоит забывать, что чертежи никто не отменял. "Предприятия вынуждены их выпускать в связи с тем, что стандарты на документацию еще не изменены. Легальным документом признается чертеж. К тому же не все смежники готовы принимать информацию в виде 3D-моделей, а партнеры по разработке и поставщики комплектующих также далеко не всегда способны работать с 3D", - объяснил Александр Лягушкин. Поэтому даже те пользователи, которые работают в трехмерных САПР, продолжают выпускать чертежи, благо они получаются из 3D-модели автоматически.

Кроме того, перед многими российскими предприятиями стоит важная задача - сохранить те наработки и знания, информация о которых сохраняется на бумажных носителях. "Одно из решений - это перенос чертежей с "бумаги" в 2D-пакет и создание электронного хранилища для дальнейшего использования. Для этих целей и покупаются лицензии на чертежные САПР", - сказал Артем Аведьян.

Существует также целый ряд задач, для решения которых вполне достаточно 2D-системы, - это, например, разработка электрических схем, концептуальное проектирование, создание схем расположения узлов машины и т. д. "2D имеет смысл использовать в схемотехнике для описания общей топологии и логической функциональности систем", - заметил Александр Лягушкин. Кроме того, чертежи широко применяются в строительном проектировании, при разработке инженерных коммуникаций, разводке печатных плат.

Олег Зыков, менеджер

по продукту КОМПАС

компании АСКОН

Однако такие задачи составляют лишь малый процент от общего объема работ по проектированию изделия. " Предприятия, использующие только 2D, просто не представляют, насколько сильно можно повысить эффективность работы, если начать грамотно сочетать инструменты 2D и 3D. Однако это требует тесной интеграции и взаимодействия таких инструментов", - считает Павел Брук. Понимая это, многие поставщики САПР предлагают интегрированные пакеты, включающие двумерные и трехмерные системы. По словам Сергея Кураксина, будущее - за 3D-системами, но такими, которые имеют функции 2D, чтобы применять их при необходимости.

Этот подход соответствует пожеланиям пользователей. Судя по результатам опроса PC Week/RE, лишь немногие планируют полный переход на 3D, а подавляющее большинство предпочитает сочетать обе технологии. Впрочем, немало и тех, кто продолжает держаться за "плоские" пакеты (диаграмма 2).

Диаграмма 2. Планируется ли у вас переход с 2D на 3D?

Но поставщики САПР уверены, что доля 2D-систем будет неуклонно сокращаться. На это указывает тенденция развития технологий проектирования. На протяжении десятилетий конструкторы использовали сначала обычный кульман, а затем "электронный" - чертежную САПР. Проникновение на российский рынок современных 3D-систем началось в начале 1990-х, но лишь недавно они получили по-настоящему широкое признание. "Сейчас идет процесс активной замены 2D на 3D и, как при любом переходном процессе, наблюдается сосуществование продуктов: уходящих в прошлое и идущих им на смену, - сказала Елена Соколова. - Разумеется, окончательно 2D-технология не исчезнет, всегда будут простые задачи, не требующие тщательной объемной проработки, но уже ясно, что основная масса проектно-конструкторских работ будет идти с применением трехмерных САПР, включающих средства автоматического создания чертежей".

Пользователи 3D - кто они?

Хотя двумерные САПР сдают свои позиции довольно медленно, трехмерные системы активно теснят их, находя все более широкое применение. По словам Павла Брука, сейчас 60-65% заказчиков Autodesk использует обе технологии и лишь 25% - только 2D. Увеличение доли 3D также отмечают АСКОН и "Топ Системы". "За последние пять-семь лет продажи 3D-версий растут быстрее, чем 2D-решений, - сказал Сергей Кураксин, - но это не означает, что наши заказчики предпочитают одни лишь 3D-решения, а скорее говорит о планомерном развитии на предприятиях культуры компьютерного проектирования и о совместном применении обоих методов".

Однако, добавил он, среди новых клиентов немало таких, которые покупают только трехмерные САПР. Аналогичную тенденцию отметили и в АСКОНе. "В числе покупателей 3D-версий в настоящий момент преобладают новые заказчики. Видимо, это объясняется тем, что они впервые автоматизируют конструкторские подразделения и, понимая необходимость использования 3D-технологий, стремятся внедрить их сразу, без промежуточных этапов", - полагает Олег Зыков.

С помощью встроенной в пакет SolidWorks Office Premium системы анализа COSMOSMotion

конструкторы могут строить и сравнивать различные варианты 3D-моделей

Конечно, все в мире относительно. В нашей стране еще немало предприятий, где неплохой результат дают недорогие 2D-технологии, позволяющие не только автоматизировать черчение, но и наладить коллективную работу над проектом. По сравнению с полным отсутствием САПР они обеспечивают значительное повышение производительности труда.

Но поставщики отмечают уменьшение не охваченных компьютеризацией организаций. "Предприятий, еще не перешедших на компьютер с кульманов, уже практически нет. Почти все наши заказчики в прошлом использовали AutoCAD, который с 1980-х гг. фактически стал стандартом де-факто в области 2D", - сказала Елена Соколова. С ней согласен и Артем Аведьян: "Прогресс не стоит на месте, и поэтому предприятий, на которых отсутствуют компьютеры и какие-либо, пусть даже примитивные, пакеты автоматизации, в настоящее время почти не осталось. Обычно мы переводим наших новых клиентов на трехмерные САПР либо с 2D-систем, либо с 3D-продуктов, не способных по тем или иным причинам решать их задачи. Если сравнить результаты прошлого и позапрошлого годов, то в России продажи нашей 3D-системы Pro/Engineer выросли примерно вдвое, число новых мест увеличилось почти втрое, а количество новых заказчиков - на 32%".

Елена Соколова, менеджер

по маркетингу SolidWorks Russia

Поскольку, как уже отмечалось, подавляющие большинство пользователей 2D-технологии применяют AutoCAD, ведущие поставщики трехмерных САПР сейчас активно стараются переманить их на свою сторону. Но так как предприятия хотят сохранить все свои наработки, для них большое значение имеет поддержка в 3D-системе файловых форматов DXF и DWG, в которых хранятся данные AutoCAD’а. Некоторые вендоры, в частности SolidWorks и PTC, такую поддержку обещают.

При этом в качестве основного аргумента в пользу полного отказа от AutoCAD они выдвигают нецелесообразность использования для двумерного и трехмерного проектирования продуктов разных производителей. "До сих пор существует стойкое заблуждение о возможности совместного применения 2D- и 3D-систем с различными форматами представления данных, - считает Елена Соколова. - Расхожая аргументация по поводу того, что можно вести моделирование сложных объектов в трехмерном пакете, а оформлять чертежи в двумерном, не выдерживает никакой критики, поскольку при таком способе работы теряется главное преимущество 3D - сохранение ассоциативных параметрических связей между моделью и чертежом. Использование одной системы для моделирования и оформления конструкторской документации, безусловно, будет необходимым условием для предприятий в самом ближайшем будущем".

Павел Брук, директор

машиностроительного

направления отделения

Autodesk в СНГ

Однако Autodesk тоже не сидит сложа руки, а прилагает огромные усилия для сохранения своей пользовательской базы. "Все наши продукты содержат полнофункциональный AutoCAD и тем самым дают проектировщикам возможность постепенно переходить на 3D и использовать прежние наработки в области 2D, - сказал Павел Брук. - Такой подход себя оправдывает. За прошлый год продажи 3D-систем в СНГ выросли, в зависимости от отрасли, на 90-200%".

Препятствия на пути к 3D

Таким образом, и у нас, и за рубежом большинство проектных организаций одновременно применяют обе технологии - двумерную и трехмерную. Об этом говорят результаты опросов, проведенных еженедельником PC Week/RE (диаграмма 1) и компанией Aberdeen (77% респондентов).

Так что 2D-инструменты продолжают пользоваться спросом. "В прошлом году по количеству проданных лицензий соотношение между 2D-системой КОМПАС-График и КОМПАС-3D составило примерно 2,5 к 1, хотя доля последней год от года растет", - сказал Олег Зыков. Значительный доход от двумерных САПР получает и Autodesk, лидер мирового рынка 2D. Как сообщил глава компании Карл Басс на последней конференции Autodesk University, на долю AutoCAD (полноценную и облегченную версии) сейчас приходится 45% выручки, но при этом у "трехмерного" бизнеса темп роста выше, чем у "двумерного". Однако даже на Западе примерно 80% клиентов Autodesk продолжают использовать 2D.

Что же затрудняет переход на современные технологии проектирования? На первом месте, конечно, стоят затраты на ПО. Не случайно именно эту проблему наши респонденты поставили на первое место (диаграмма 3). Хотя в последнее время 3D-системы значительно подешевели (по некоторым оценкам, за пять лет средняя цена рабочего места сократилась с 10 до 5 тыс. долл.), они все равно существенно дороже двумерных. "Для российских предприятий главным препятствием является стоимость решения. Ведь две проблемы: более высокая цена 3D-системы и повышенные требования к компьютерам, которые также стоят недешево, - складываются в одну и приводят к немалым затратам, - поделился своим мнением Сергей Кураксин. - Если говорить о пользователях нашей системы T-FLEX CAD, то их переход с 2D-версии тормозится либо недостатком финансовых средств на оснащение всех рабочих мест 3D-версиями, либо стремлением к экономии".

Диаграмма 3. Какие проблемы затрудняют переход с 2D на 3D?

На Западе, по данным аналитиков из Aberdeen, цена служит барьером для малых предприятий, стесненных в средствах, но для тех организаций, которые осознали преимущества 3D, расходы на ПО уже не являются серьезным препятствием.

Важную роль играет и инерция мышления. За двести лет использования чертежей были наработаны определенные методики, накоплены знания, приобретены навыки, от которых трудно быстро отказаться. "Я думаю, что в первую очередь переходу мешает человеческий фактор - боязнь нового, стереотипы, привычки, - считает Олег Зыков. - А ведь трехмерное моделирование более естественно для человека, поскольку мы живем в трехмерном мире". С ним согласен и Александр Лягушкин: "Для пользователей с традиционной "проекционной" психологией переход - это ломка их традиций и отказ от многолетнего опыта".

Олег Кукушкин,

исполнительный директор Arbyte

Такая инертность наблюдается не только у нас, но и за рубежом. Как выяснили аналитики из Aberdeen, главная причина того, что предприятия продолжают использовать "плоские" инструменты, заключается в нежелании перемен, даже если новые методы сулят явное преимущество.

Внедрению 3D мешает и бытующее мнение о том, что такие инструменты сложны в освоении. В нашем опросе такое препятствие заняло второе место среди причин, сдерживающих переход к трехмерным САПР (диаграмма 3). Но по единодушному мнению разработчиков, этот миф давно устарел. "Сейчас переход на 3D является очень простым и интуитивным", - уверен Павел Брук. Чтобы упростить этот процесс, многие поставщики предлагают интегрированные 2D-3D-решения, позволяющие пользователям работать с привычным 2D-инструментом и постепенно осваивать трехмерные методы.

Но обучение все-таки требуется, так как современные САПР, построенные на основе объемного параметрического моделирования, требуют от пользователя понимания новых принципов работы. А с этим могут быть проблемы. "Зачастую нашим предприятиям еще нужно найти людей, которые сумеют научиться работать с 3D и грамотно использовать эти знания, - считает Сергей Кураксин. - Не секрет, что основные конструкторские кадры, которые имеют большой опыт и хранят традиции проектирования своих заводов, уже достигли солидного возраста, а значит, с трудом овладевают современными технологиями, молодым же специалистам помимо умения работать в 3D нужно еще учиться проектировать. В целом это немного снижает возможную эффективность трехмерных решений, хотя ситуация улучшается с каждым годом".

Александр Лягушкин,

руководитель технической

службы Dassault

Эта проблема волнует и наших респондентов. Так, один из них в качестве проблемы, затрудняющей переход с 2D на 3D, указал на предпенсионный возраст большинства ведущих специалистов.

Поставщики уверяют, что как только конструктор освоит методологию 3D-моделирования, он начинает обгонять по производительности своих коллег, продолжающих работать в 2D. Однако на накопление опыта требуется время. Поэтому, судя по отзывам пользователей из опроса Aberdeen, сразу после внедрения новых методов происходит некоторое снижение производительности труда.

Кроме того, по данным аналитиков, предприятия, уже применяющие 3D-продукты, отмечают замедление работы компьютера, особенно при создании больших и сложных сборок. Это связано с тем, что для 3D-пакетов нужно более мощное "железо". "Трехмерные САПР требуют больше компьютерных ресурсов, чем двумерные. Если для работы с 2D достаточно обычного ПК, то при переходе на 3D нужна принципиально другая система, - объяснил Олег Кукушкин, исполнительный директор компании Arbyte, специализирующейся на компьютерах для САПР. - При выборе такого ПК важны многие компоненты, например мощный процессор и быстрая память, но особое внимание следует обратить на наличие профессиональной видеокарты и 3D-манипулятора. По нашему опыту, эти два компонента оказывают наибольшее влияние на производительность работы с 3D-приложениями".

Таким образом, внедрение 3D требует не только замены ПО, но и обновления компьютерного парка. Именно так, подчеркивает Aberdeen, и поступают все передовые предприятия, в то время как из отстающих только 53% следует их примеру. Вывод напрашивается сам: проблему нужно решить заранее, не дожидаясь, пока жизнь заставит это сделать. Но, судя по ответам наших респондентов, необходимость замены ПК их серьезно беспокоит (диаграмма 3).

Все вышеперечисленное говорит о том, что переход на 3D - непростой процесс, который требует серьезной поддержки в первую очередь со стороны руководства предприятия. Именно топ-менеджеры должны принимать такое решение. "Прежде всего необходима "революция в умах". Руководителям и собственникам нужно осознать, что долгосрочное и постоянное увеличение прибыли невозможно без базиса, а именно без высококачественных изделий, производимых быстро и с минимальными затратами, - уверен Павел Брук. - Но их невозможно создавать без современных инструментов. А это не только промышленное оборудование, но и программное обеспечение для инженеров и конструкторов. Если предприятие, приобретая современные станки, не позаботилось о повышении эффективности проектирования и технологической подготовки производства, то дорогостоящая техника будет простаивать, а все потраченные на нее средства пропадут впустую".

(Окончание следует)