Magazín

Magazín a novinky..

Jak se rodí automobil

17.03.2008

Jak se rodí automobil

Zrod tohoto článku nebyl jednoduchý. Proniknout do tajů oboru, který je v dnešní době fenoménem, není snadné a trvalo téměř půl roku, než jsme získali pro článek dostatek potřebných informací.

Automobilový průmysl patří k špičkovým oblastem, ve kterých se využívají opravdu ty nejlepší technologie. Existuje pro to celá řada důvodů, asi tím nejpodstatnějším je snaha výrobců o vytvoření opravdu dokonalého výrobku, který by maximálně splnil představy zákazníků o precizním výrobku. Automobilový průmysl již řadu let zaujímá výrazné procento v podílu na růstu HDP (hrubý domácí produkt) řady států světa a z automobilu se stal fenomén posledních sto let.

Metodika návrhu designu automobilu využívaná v univerzitní oblasti (Delft University of Technology)

Automobilový průmysl je v současné době úzce svázán s rozvojem zcela nových postupů úzce svázaných s oblastí PLM technologií, bez kterých by byla prakticky v současné době příprava nového modelu prakticky nemyslitelná. V našem článku se pokusíme zmapovat několik základních kroků, které jsou pro návrh automobilu stěžejní. Zaměříme se především na předvýrobní etapu, které realizace je úzce svázána právě z návrhem a přípravou výroby.
Bezpečnost, ergonomie, design základem

Není příliš mnoho lidí na světě, kteří umí navrhnout design nového automobilu. Profesionální designéři jsou spíš umělci než technici a jejich úkolem je dát novému modelu jistou dávku osobitosti a jiskru. Hlavním cílem designéra je zhmotnění představ o novém nebo modifikovaném modelu a vytvoření základního konceptu návrhu. Designér vychází z základních profilových křivek, které rozpracovává od 2D návrhu až po 3D skici. V praxi se může jednat o stovky až tisíce návrhů, kterým je věnována náležitá pozornost v podobě konzultačních mítinků. Vlastní realizace designérských skic se prování buď tradičními postupy pomocí tužko nebo perokresby, případně pomocí výpočetní techniky a tabletu. Výhodou využití výpočetní techniky je poměrně vysoká flexibilita a úzká návaznost na další grafické operace, ale pozice výpočetní techniky v této úvodní fázi není nijak zásadní. Design je přece jen styčným mostem mezi myšlenkou umělce a technikem. V automobilkách působí v oblasti průmyslového designu opravdu světové špičky.

Designerská skica nového Audi Q7 (AudiWorld )
Tradiční i moderní postupy

Na práci týmu designérů, většinou se jedná o její součást navazuje vytvoření prvotního modelu nového automobilu. Tento model není funkční, je většinou vytvářen v měřítku nebo ve skutečné velikosti pomocí plus mínus tří základních technik:

* hliněný model – dodnes nejoblíbenější metoda, která se používá pro vytvoření modelu nového automobilu. Model je vytvořen od základních konceptů až po reálnou velikost ze speciální hlíny, která ne nadarmo připomíná výtvarnický materiál. Kdysi jsem slyšel při rozhovoru s jedním kolegou, že se auto prostě vysochá :O). Tato technika byla využívána již v minulém století, kdy jsme o výpočetní technice nic nevěděli a prakticky je dodnes nejoblíbenější i když je náležitě zmodernizována (viz. dále). Součástí rozměrnějších modelů jsou kovové výstuže.

Výrobě designérského modelu ve věnována maximální pozornost (Audi)

* digitální model – díky nástupu výpočetní techniky a různých postupů vizualizace a virtuální reality se stále častěji snaží designéři integrovat do své práce digitální postupy již od prvotních návrhů. Zřejmě přeborníkem v této oblasti je aplikace MAYA, která obsahuje přímo nástroje určené pro zpracování designérských skic a jejich převod do digitálních modelů. Tento postup je používán především pro modifikaci modelových řad než pro vytvoření prvotního designu.

Zpracování designérských skic do volných NURBS ploch pomocí NX Shape Studio (Industrial Design)

* alternativní metody – nebyla by to technika, kdyby se nedali najít ještě jiné postupy, jak přetvořit designerskou skicu na reálný model. Tyto postupy můžeme souhrnně nazvat jako rapid prototyping. Metody umožňují převzít geometrická data z počítače a vytvořit model například nanášením vrstev vytvrzovaných laserem. Postup má ovšem svá úskalí při vytváření rozměrných modelů a prakticky se používá pro vytváření prototypu konkrétních konstrukčních uzlů, například prototypu klimatizační jednotky, světla apod.

Preciznost a týmová designerská práce (Audi)

Klasické hliněné modely tedy z výše uvedených postupů neustále vítězí. Vytváří se pomocí nich prakticky celé prototypy nových modelů, snad až na některé konstrukční prvky, jakými jsou například kola. Jedná se o práci, při které designéři s maximální pečlivostí vytvoří model automobilu do posledních detailů jak exteriéru, tak interiéru. V praxi se může jednat o tisíce hodin opravdu titěrné práce kdy je vytvořeno opravdu umělecké dílo.

Hliněný model historie i současnost (Ford)

Řada světových automobilek vyhlašuje designerské soutěže dokonce na úrovni středních škol, kdy se hledají nové talenty nebo dokonce týmy, schopné realizovat na základě zadaných vstupních podmínek nový projekt. Osobitost, charakter návrhu, kvalita provedení, to je jen zlomek prvků, které mohou rozhodnout při výběru designu nového modelu. Cílem designerů je samozřejmě i zachování charakteristických designerských prvků nového modelu a tím je především silueta čelní masky vozu, která je pro výrobce často charakteristická po několik let.

Studentské designerské soutěže (Toyota)

Prvotnímu designu automobilu se věnuje tak jak celému vývojovému procesu, který na něj navazuje maximální pozornost. Přece jen se jedná o spotřební výrobek, kdy rozhodují nejen technické parametry nového vozu, ale také jeho „styl“. Obdobně se zpracovávají studie interiéru vozů.
Na řadu přichází špičková technika

Další kroky ve vývoji automobilu jsou v dnešní době již plně v režii nejmodernějších technologií spojených s tvorbou virtuálního modelu v digitální podobě. Jistě se zeptáte, no jo, ale my máme k dispozici v tuto chvíli pouze designerský model. Jak jej dostaneme do počítače. Pokud se trošku zamyslíte nad problémem, uvědomíte si, že okem počítače do našeho světa je v 2D grafice scanner. Ten generuje v počítači rastry bodů, které s daným rozlišením popisují to co počítač vidí. Obdobným okem počítače do třírozměrného světa je 3D scanner.

Tato oblast techniky se také nazývá Reverse Engineering. Využívá se převážně speciálních optických (laserových) přístrojů, kterých účelem je ve své podstatě popsat prostorový model pomocí sítě bodů. Na přesnosti a množství bodů pak záleží přesnost generované sítě a její proložení vektorovou plochou. Je jasné že v geometricky složitějších partiích modelu je nutné generovat jemnější sítě. 3D scannery vyrábí celá řada výrobců, ty, které se používají pro prostorovou vektorizaci v automobilovém průmyslu, patří k nejvýkonnějším.

3D scanner Laser Design

Výstupem ze 3D scanneru je standardně síť bodů, tato síť bodů je zpracována pomocí software na jehož kvalitě velmi záleží finální výstup. 3D scannery v současnosti již mají i přímý uplink do CAD aplikací. Generovány jsou buď polygonální sítě, nebo u vyspělejších metod, vyhlazené spline NURBS plochy. Obecně ovšem platí, že tato operace je zdrojem poměrně výrazných chyb, které je nutné pomocí software opravit (záplatovat). Na této úrovni obecně platí to, že jsou generovány pouze segmenty neparametrických ploch, které jsou zdrojem prvotní informace pro konstrukční týmy. Prakticky se jedná o zhmotnění designérského návrhu z modelu do jeho plošné prezentace v podobě vektorově popsaných 3D ploch.

Výsledek 3D digitalizace v podobě polygonálních ploch

Na digitalizaci navazuje ergonomická studie celého vozu. Hrubá 3D data a jejich případné chyby nejsou překážkou k tomu, aby se mohl být model automobilu rozpitván ergonomy pomocí metod virtuální reality. Kdy lze poměrně přesně již navrhnout interiér vozu a jeho parametry tak, aby vyhovoval potřebným normám předpisům a standardům. Automobil musí být v první řadě bezpečný a pohodlný, musí vyhovovat prakticky všem generacím, všem národnostem. Vyladění například návrhu sedačky řidiče může znamenat tisíce hodin práce.

Virtuální realita a ergonomie (General Motors)
To nejlepší z CAx a týmová spolupráce

Pokud je připravena plošná prezentace základního designu automobilu nastupuje týmová spolupráce subdodavatelů, kteří mají jediný úkol a společný cíl a tím je konstrukční řešení nového automobilu a dotáhnout jej až na úroveň předvýrobní přípravy technologie výroby. Jedná se o velmi složitou etapu, na které se mnohdy podílí desítky inženýrských kanceláří mnohdy po celém světě, které dostávají od automobilky vstupní data v podobě volných ploch a přesnou specifikaci dalšího postupu (technické informace). Nadpis odstavce nelže opravdu se v této oblasti využívá to nejlepší co je k dispozici na trhu s aplikacemi. V oblasti designu automobilů a jeho zpracování do podoby technického návrhu vévodí produkty CATIA a NX.

Modul pro zpracování a analýzu ploch, CATIA Automotive Class A

Ty mají v sobě integrovány speciální nástroje pro výkonné zpracování 3D ploch, nebo případně přímou podporu reverze engineeringu. Pokud se setkáte s pojmem CATIA Reverse Engineering, tak vězte, že to je přesně modul uřčený pro námi popisovaný postup. Pro zpracování ploch, které se skládá z řady více či méně náročných operací vedoucích k vytvoření souvislé sešité plochy, nebo k následnému solidu (tělesu) se využívá v NX modulu Shape Studio a v CATII hned několika modulů v čele s Automotive Class A.

NX3 Shape Studio aplikované na již „kulturní plochu“

Vytvořeným plochám se přiřazují ofsety (konturovací plochy), ty se záplatují a vytváří se z nich tenké solidy (tělesa), které mohou být použity pro další modelování konstrukčních prvků, například otvorů, výstuží, prolisů apod. Běžně se ladí každé zaoblení, každé kritické místo, které by moho například časem být důvodem usazování vlhkosti a nepřítele každého vozu - koroze.
Konstrukce, výpočty, analýzy

Pokud jsou vytvořeny a opraveny všechny problémy s designérskými plochami, které vznikly v průběhu přenosu geometrie do 3D dat nastupuje již čistě konstruktérská práce. V automobilovém průmyslu se jedná o dvě základní větve. Ta první je vázána na produkci plastových dílů a zpracování termoplastů nebo reaktoplastů a ta druhá soustředí svou pozornost na oblast zpracování kovových dílů. Obě oblasti mají svá výrazná specifika a jsou řešena prakticky vždy za pomocí úzce specializovaných týmů. Zde bych uvedl například perličku týkající se například světel. Není světlo jako světlo, jiná světla se dávají do modelů určených pro trh například v USA a jiná pro Evropu. Takže i v této oblasti lze říci, že zdání jednoduchosti a univerzálnosti opravdu klame.

Díky FEM analýzám lze již ve fázi modelu analyzovat bezpečnost konstrukce vozu (Pam-Crash)

Konstrukce součástí v oblasti automobilového průmyslu má jeden společný jmenovatel a tím je preciznost. Veškerá konstrukční řešení musí být dotažena k opravdové dokonalosti ať už se jedná o turbodmychadlo nebo o obyčejný palubní přepínač. Důraz na kvalitu je dán na prvním místě. Důvodem je především to, že automobily jsou vyráběny v tisícikusových sériích a každá maličkost a nedotažené konstrukční řešení by mohlo třeba za pár let znamenat i například svolávací akci na výměnu špatně navrženého dílu a tím velké finanční ztáty.

Kompletní technické řešení automobilu (Ford Mondeo)

Výrazná pozornost je také věnována již ve fázi konstrukce dílu například takovým niancím jakou je například manipulace s dílem při montáži nebo zajištění jeho snadné výměny při případné opravě. Složitější konstrukční uzly jsou realizovány často unifikovaně, to znamená, že například v rámci jednoho koncernu je používáno například jeden typ tlačítka na zapínání výstražných blinkrů. Šetří se tím náklady na výrobu a sjednocují pravidla ovládání. Dalším příkladem mohou být například modelové řady motorů.

Velkou pomocí při vývoji automobilu jsou různé typy podpůrných výpočtových metod. Jedná se o postupy a technologie, které se využívají pro stanovení kritických uzlů ať se již jedná o běžné zatížení nebo například o deformaci způsobenou vlivem nárazu. Již ve fázi modelu lze tak již odhalit případná problémová místa a zoptimalizovat jejich geometrické charakteristiky, případně materiály. Jedná se o výrazné úspory času a nákladů.

Motory, světla, klimatizace, brzdové systémy, vše se opírá o složité inženýrské výpočty (SGI)
Příprava výroby

Pro kontrolu jednotlivých prvků konstrukce automobilu bývá v poslední době velmi často nasazována metoda rychlé výroby prototypů známá také pod názvem Rapid Prototyping. Používá se například pro rychlou výrobu konstrukčních dílů klimatizace automobilu, aby bylo možné precizně odladit její konstrukční řešení, ještě před vlastním zahájením výroby například lisovacích forem. Zde každý problém může vzhledem k ceně nástroje znamenat velmi výrazné ztráty.

Metoda rychlé výroby prototypů pomocí metody

Automobily jsou ve své podstatě výrobky vyráběné ve velkých sériích, u kterých je ovšem výrazně zohledněn požadavek zákazníka. To znamená, že musí být výroba opravdu vychytána ve všech směrech a to jak v oblasti výrobních technologií, tak v oblasti finální montáže. Výrazný podíl při výrobě automobilů hrají především díly z plechu, samonosné karoserie automobilů jsou prakticky celé vytvořeny z plechových dílů vyráběných pomocí technologie tažení. V této oblasti získávají stále větší oblibu CAM technologie, které výrazně usnadňují i výrobu tvarově složitých konstrukčních prvků karoserií. Obecně platí, že lisovací nástroje ať již se jedná o postupové tažné nástroje pro výrobu plechových dílů, nebo nástroje pro vstřikování plastů patří výrobně k nejnákladnějším.

Nástroj pro manipulaci s dílem karoserie před svařením

Při přípravě výroby nového modelu automobilů je využívaná v rozsáhlé míře kooperace výrobců a externích dodavatelů. Nebylo by prakticky myslitelné, aby si automobilka připravila stovky potřebných nástrojů sama. Celý cyklus přípravy výroby je extrémně logisticky i technologicky tak náročný, že se může v praxi jednat o spolupráci stovek firem z celého světa.

Jednou z nejnáročnějších fází přípravy výroby je výroba nástrojů a následně výroba komponent

Jak jsem již uvedl, pozornost je věnována v automobilovém průmyslu nejen přípravě přímo souvisejících technologií výroby, ale prakticky všemu. Tím myslím i například řešení výrobních provozů, kde musí prostě vše klapat v sekundách. Uvědomme si, že z výrobní linky běžně vyjíždí jeden vůz během několika minut a to se jedná o jak typickou řadu, tak o vozy laděné podle požadavků zákazníků. Z tohoto důvodu musí být precizně dotaženy například i logistické problémy, zásobování, prostě vše, co by mohlo znamenat zastavení výroby byť na několik minut.

Spalovací motory dnešních vozů tvoří tisíce dílů (desetiválec pro BMW M5)

Simulace procesů jednotlivých operací při výrobě automobilů jde v dnešní době prakticky až na úroveň analýzy jednotlivých operací a úkonů. Každý pohyb je analyzován tak, aby nezpůsobil při výrobě bud technické nebo bezpečnostní problémy. Preciznost v současné době výrazně podporují systémy pro návrh a simulaci výrobních činností jakými je například DELMIA firmy Dassault Systemes.

Řešení výrobního procesu (Opel AG)

A pokud vezmeme v úvahu, základní myšlenku bezpečnosti každého automobilu, je vám jistě jasné, že již připravená výroba může být výrazně ovlivněna například neoptimálním výsledkem bezpečnostních testů prvních prototypů. Tyto výsledky mohou mít dopad až například na konstrukční úpravu konstrukce dílu, či technologie jeho výroby. Flexibilita je pak slovo, které je opravdu nutné vyvážit špičkovou technologií, zkušenostmi a perfektní týmovou spoluprací.

Bezpečnost je u výrobců automobilů vždy na prvním místě, zkoušky mohou přípravu
seriové výroby zásadně ovlivnit (Volvo)

Závěrem všem řidičům přeji šťastnou cestu a bezpečnou jízdu. Za vývojem vozidla stojí statisíce hodin práce tisíců specialistů a odborníků. Tak ať nám všem slouží co nejdéle.

Tak toto auto není žádná lidová tvořivost ani novodobý bakeliťák, ale precizně
utajovaný prototyp nového vozu s maskováním při jízndních zkouškách (Automedia)