Tajemství modelování v Autodesk Fusion 360

Na jakých principech je založeno 3D modelování v CAD/CAM aplikaci Autodesk Fusion 360? Základní pojmy 3D modelování, principy modelovacího jádra Autodesk Shape Manager a tipy pro tvorbu nejpoužívanějších tvarů a modelovacích prvků objemových těles a povrchových ploch.

V tomto článku "Tajemství modelování ve Fusion 360" se dozvíte, jak Fusion 360 generuje geometrické tvary. Díky tomu lépe pochopíte, jak docílit požadované geometrie. Tak například: už jste dnes vymodelovali ve Fusion 360 nějaké tažení (sweep)? Pozor, je to chyták! Je téměř jisté že ano, jen jste k tomu možná nepoužili příkaz tažení/sweep. Čtěte dále a zjistíte o čem mluvím.

Nejprve se podívejme na modelovací jádro Autodesk Shape Manager (ASM) a některé základní pojmy z oblasti 3D modelování. Prezentované pojmy vycházejí z populární české lokalizace Fusion 360.

Představení Shape Manageru (Správce tvarů Autodesk, ASM)

Pro generování 3D tvarů využívá Fusion 360 modelování jádro Autodesk Shape Manager (A.S.M). ASM je modelovací "jádro" - softwarová komponenta, která vypočítává 3D tvary. Zajímavost: ASM využívají také aplikace AutoCAD a Autodesk Inventor (mimo jiné). ASM používá k výpočtu 3D tvarů metodu Brep (Boundary Representation, hraniční reprezentace). Brepy jsou tvary založené na vrcholech. Dva vrcholy mohou definovat hranu. Smyčka hran může definovat stěnu. Soubor hran definuje objem (3D tvar).

Když ve Fusion 360 vytváříte 3D tvary pomocí příkazů, jako je Vysunutí (Extrude), Tažení (Sweep) nebo Šablonování (Loft) - používáte uživatelské rozhraní Fusion 360 k předání souřadnic do systému ASM, který z nich vypočítá Brep a předá jej zpět do Fusion 360, aby se výsledný tvar zobrazil na obrazovce.

Důležitá terminologie

Používejme stejný jazyk a odborné termíny, když mluvíme o tvarech ve Fusion 360.

Geometrie a topologie

Geometrii si můžeme představit jako výsledný tvar, který chceme vytvořit. Topologie je pak způsob, jak se k němu dostat.

Stejnou geometrii lze vytvořit pomocí různé topologie. Stejnou topologii lze použít k vytvoření velmi odlišné geometrie.

• Geometrie - matematika, která popisuje daný tvar.
• Topologie - vrcholy, hrany a stěny, které tvoří výsledný tvar.

Normála

Normála je "kolmice k hraně nebo povrchu". U modelu objemového tělesa musí normála vždy směřovat "ven" z objemu tělesa. Ve Fusion 360 je zadní, rubová strana povrchu označena zlatou barvou:

Spojitost křivosti

Pokud chceme vytvořit plynulý přechod mezi dvěma povrchy, můžeme tuto podmínku popsat jako "Spojitost zakřivení". Spojitost křivosti je proces shody vlastností napříč dvěma povrchy. Tyto vlastnosti popisujeme pomocí písmene "G".

Vlastnosti se kumulují - spojitost G3 tak zahrnuje G2, G1 a G0.

• G0 Spojení: Hrany se setkávají (známé také jako "dotyk" nebo "poloha").
• G1 Tečna: Normály povrchu se shodují u stýkajících se hran (zaoblení).
• G2 Zakřivení: Velikost zakřivení se shoduje podél stýkajících se hran.
• G3 Zrychlení: Rychlost, s jakou se mění zakřivení, je stejná a vede do stýkajících se hran.

Poznámka: Matematicky by bylo možné popsat další úrovně "G" (G+), ale ty vám nepomohou vytvořit úžasné modely.

Co je Tažení ve Fusion 360?

Kdy je modelovací prvek Tažením (Sweep)?

Co mají následující příkazy 3D modelování ve Fusion 360 společného?

• Vysunutí, Extrude
• Rotace, Revolve
• Šroubovice, Coil
• Roura, Pipe
• Žebro, Rib
• Můstek, Web
• Díra, Hole
• Primitiva (kvádr, válec, koule, prstenec)
• Přímková plocha, Ruled surface
• Tažení, Sweep

Společným rysem všech těchto příkazů je, že vytvářejí prvky s konzistentním průřezem. Tomu se říká "translace". Průřez se translokuje podél dané trajektorie. Ve Fusion 360 se tento průřez nazývá "profil". Uvnitř Fusion 360 se ASM (Autodesk Shape Manager) použije k vytvoření všech těchto prvků stejný algoritmus.

Rozdíl mezi taženým tvarem vytvořeným pomocí příkazu Tažení/Sweep a taženým tvarem vytvořeným pomocí příkazů, jako je Vysunutí/Extrude nebo Rotace/Revolve, spočívá v tom, že trajektorie Tažení/Sweep je explicitní. Vytváříme ji sami. Ostatní příkazy translokují průřez podél implicitní trajektorie. Například trajektorie příkazu vysunutí je implicitně braná jako kolmá k rovině náčrtu, zatímco trajektorie příkazu Rotace tvoří implicitně oblouk kolem osy.

Trajektorii implikuje sama aplikace Fusion 360. Fusion 360 předá profil (průřez) a trajektorii do ASM, který vygeneruje 3D tvar. Ten jej pak předá zpět do aplikace Fusion 360, aby se zobrazil na obrazovce.

A proto vím, že už jste dnes vytvořili tažení - i když jste k jeho vytvoření možná nepoužili nástroj Tažení/Sweep!

Co vše mohu dělat s Tažením?

Jediným pravidlem pro tažení je to, že musí mít konzistentní průřez. Pro tažení však máme k dispozici i některé další ovládací prvky.

Můžete měnit měřítko průřezu (představte si volbu "Zešikmení" v příkazu Vysunutí nebo Tažení) a můžete průřez otáčet (představte si volbu "Zkroucení" v příkazu Tažení).

Co vše NEmohu dělat s Tažením?

Algoritmus tažení přesně dodržuje průřez podél trajektorie, takže tažené tvary mohou mít pouze jeden profil.

Jak použít tažení mezi více profily?

To použít nemůžete. Alespoň ne příkazem Tažení. Pokud potřebujete vytvořit tvar pomocí více profilů, musíte použít příkaz Šablonování (Loft).

Šablonování s osou

Příkaz "Šablonování s osou" (Loft with centerline) používá hybridní algoritmus, který dokáže procházet více profily podél trajektorie a současně "deformovat" tvary mezi profily.

Jak vodicí linie řídí tvar tažení?

Pomocí vodicích linií a povrchů můžete řídit natočení (zkroucení) profilu podél trajektorue. Při tažení s vodítkem si představte čáry nakreslené mezi trajektorií a vodicí linií. Tak, jak se tyto pomyslné čáry stáčejí kolem trajektorie, profil se bude stáčet s nimi.

Jak vodicí povrch řídí tvar tažení?

S vodicím povrchem je to podobné, ale tentokrát je zkroucení vztaženo k normále povrchu. "Normálu" si lze představit jako kolmici k povrchu.

Kdy mám použít tažení?

Vzhledem k tomu, že tažení musí zachovávat konzistentní profil, nemůžeme vytvářet tažení, které má spojitou křivost s jinou geometrií. Z tohoto důvodu je obvykle dobré začít s taženými prvky (například vysunutí nebo rotace) jako s vašimi základními prvky. Poté pomocí funkce Šablonování nebo Záplata vytvořte prvky, které má spojitou křivost s těmito základními prvky.

Tajemství příkazu Šablonování (Loft)

V této kapitole se dozvíme, jak se pomocí Autodesk Shape Manageru (ASM) v Autodesk Fusion 360 vytvářejí šablonované tvary.

Co dělá příkaz Šablonování?

Příkaz Šablonování vytvoří tvar, který je plynulým přechodem mezi dvěma nebo více profily. Profil může být náčrt nebo plocha či hrana existující geometrie. Šablonovat můžete také z profilu do bodu. To může být užitečné při modelování koncovky se souvislým zakřivením.

Protože příkaz Šablonování může "deformovat" vytvořený povrch tak, aby vyhovoval jeho vstupům, můžeme nastavit okrajové podmínky pro zachování spojitosti křivosti se vstupní geometrií (Definici spojitosti křivosti si přečtěte v předchozí části).

Jaký je rozdíl mezi vodicí linií a osou?

Šablonovaný tvar tělesa může využívat další geometrii, která pomáhá vést jeho podobu. Těmito vodítky jsou čáry, oblouky nebo spline křivky. Mohou být použity jako "Vodicí linie" (vodítka) nebo "Osy", ale jaký je mezi nimi rozdíl?

Vodicí linie plní stejnou úlohu jako profil. Tvar, který vytváříme, je "přitahován" k vodicím liniím. Vodicích linií můžeme mít tolik, kolik potřebujeme. Důležité je umístění vodicích linií, ty by měly vždy propojovat jednotlivé profily v sadě. Představte si šablonovaný tvar jako povrch, který je "natažený" kolem profilů a vodicích linií.

Šablonování s osou se chová velmi podobně jako trajektorie Tažení. Autodesk Shape Maneger interpoluje mezilehlé profily, jejich tvar se deformuje mezi počátečním a koncovým profilem. Tyto meziprofily budou kolmé na osovou čáru. Profily budou sledovat tuto trajektorii, namísto toho, aby k ní byly "přitahovány".

Geometrie osy se nemusí připojovat ke geometrii profilu jako u vodicích linií. Geometrie osy také nemusí být ve "středu" profilu!

Osa šablonování s počátečním a koncovým profilem vám zajistí přirozeně hladký přechod. Pokud se vám nedaří dosáhnout toho, co potřebujete od šablonování s vodicí linií (vodítky), vyzkoušejte místo toho šablonování s osovou linií.

Jaký je rozdíl mezi Šablonou a Záplatou?

V této kapitole se dozvíme, jaký je rozdíl mezi Šablonou (Loft) a Záplatou (Patch) a jak můžeme tuto znalost využít.

Co je to Šablona?

Když požádáme Fusion 360, aby požádal Autodesk Shape Manager (ASM) o vygenerování povrchu pomocí příkazu Šablonování, ASM vytvoří čtyřstranný povrch. Poté tento povrch "napasuje" na námi zadanou geometrii.

Z tohoto důvodu Šablona dobře funguje při vytváření čtyřstranných povrchů. Šablona také docela dobře funguje při vytváření povrchů, které mají více než čtyři hrany. V tomto případě nám však Šablona tvar pouze rozdělí na čtyřstranné plochy. Proto budou mít vaše plochy vytvořené metodou Šablona vždy alespoň jednu viditelnou hranu.

Co je to Záplata?

Nástroj Záplata (Patch) nám také umožňuje vytvářet povrchy z více profilů. Nástroj Záplata může také "deformovat" povrchy, což umožňuje nastavit spojitost křivosti na jejich hranicích (definici spojitosti křivosti si přečtěte v 1. části).

Nástroj Záplata je také čtyřstranný tvar, ale namísto toho, aby se přizpůsobil zadání, ASM ořízne povrch záplaty podle zadání.

Kdy mám použít Šablonu místo Záplaty?

Šablona se skvěle hodí k pokrytí velkých ploch. Šablona vytváří "přímkový povrch", což znamená, že tvar přechází přímo z jednoho profilu do druhého bez propadů.

Kdy mám místo Šablony použít raději Záplatu?

Záplata se nejlépe hodí pro povrchovou úpravu řetězce hran, který není čtyřstranný. Záplata je jediný nástroj, který vyplní i tvar jediné entity (kruh!). Má také vynikající funkci "Tolerance", což znamená, že řetězce hran se nemusí v rozích dokonale napojovat, aby nástroj Záplata vrátil výsledek.

Doporučené postupy pro zaoblování

V této kapitole se zaměříme na zaoblování. Naučíme se, jak nejlépe nastavit zaoblení, a zjistíme, co dělat, když se nepovede.

Co je to zaoblení?

V reálném životě vytváříme zaoblení nebo zakulacený roh pomocí frézy na obráběcím stroji, abychom "změkčili" ostré hrany našich výrobků. Nástroj Zaoblení ve Fusion 360 tento proces replikuje.

Nástroj Zaoblení vytvoří sadu tečných nebo křivostí spojitých ploch, které se připojí k plochám, jež se setkávají na vybraných hranách (definici pojmu "spojitosti křivosti" si přečtěte v 1. části).

Typy zaoblení

Co mají všechna zaoblení ve Fusion 360 společného? Podívejme se na typy zaoblení, které můžeme vytvořit.

Zaoblení typu "valicí se kulička"

Zaoblení s konstantním poloměrem mají pravidelný průřez. Tento způsob výpočtu zaoblení je známý jako metoda "valící se kulička". Můžete si představit kuličku, která se kutálí podél dvou ploch, které se stýkají na hraně, takže koule je vždy tečná k plochám, přičemž při kutálení vzniká nová plocha zaoblení (vnější nebo vnitřní).

Zaoblení s délkou tětivy

Zaoblení s konstantním poloměrem mají konstantní poloměr v libovolném bodě podél vybraných hran. Délka tětiv zaoblení zachovává stejnou vzdálenost napříč tětivami zaoblení.

Zaoblení s proměnným poloměrem

Zaoblení s proměnným poloměrem umožňují nastavit poloměr zaoblení nebo zakulacení na začátku a na konci vybrané hrany a v libovolném počtu bodů podél ní.

Co mají všechna zaoblení společného?

Pokud jste četli předchozí kapitoly tohoto dokumentu o tažených a šablonovaných tvarech, možná už tušíte! V zákulisí totiž Autodesk Shape Manager (ASM) používá stejný algoritmus, jaký generuje tažené tvary nebo tvary šablonování s osou.

V tomto případě je profil vypočítán za vás. Profil je oblouk, který zůstává tečnou ke dvěma plochám, které se napojují u vybrané hrany. Pomocí uživatelského rozhraní Fusion 360 definujeme hranu a poloměr a Fusion 360 je předá do ASM, který vygeneruje tažený nebo šablonovaný povrch a výsledek předá zpět do Fusion 360, aby se zobrazil na obrazovce.

Jaké jsou osvědčené postupy pro zaoblování?

První radou je modelovat prvky využívající hrany, jako jsou například zaoblení a zkosení, až co nejpozději na časové ose. Vyhnete se tak problémům s tím, že promítaná geometrie ztratí hrany, které jste do ní promítli. Výjimkou je použití příkazu Skořepina (Shell) pro vytvoření tenkostěnných součástí. V takovém případě může být nutné před skořepinou provést zaoblování.

Prvky s jedním zaoblením rozdělte na více zaoblení

Ačkoli můžete definovat jeden prvek zaoblení, který bude obsahovat více zaoblení o různých poloměrech, je pravděpodobně lepší vytvořit více prvků zaoblení. Pokud vytvoříte jeden prvek zaoblení obsahující více definic zaoblení a vaše zaoblení selže, může být obtížné zjistit, které zaoblení způsobuje problém.

Vytvoření jednotlivých zaoblení stejné velikosti může také pomoci vašim kolegům navazujícím na váš návrh. Pro programování CAM často nejsou zaoblení potřeba. Vytvoření zaoblení různých poloměrů jako samostatných prvků usnadní potlačení zaoblení, které nejsou v prostředí CAM potřeba.

Velké před malými

Nejprve vytvořte zaoblení s největším poloměrem a poté zaoblení s menším poloměrem.

Konkávní před konvexními

Pokuste se vytvářet konkávní zaoblení před konvexními zaobleními. V mnoha případech zjistíte, že opačně to nefunguje.

Tipy při selhání zaoblení

Automatické řetězení hran

Pokud zaoblujete do složitého křížení, zkuste vypnout funkci "Automatické řetězení hran". To vám umožní vybrat každou hranu zvlášť. Pokud se u vybrané jednotlivé hrany nezobrazí náhled, bude pravděpodobně problém v ní.

Blízká tečnost

Hrany, které jsou téměř tečné, se nemusí spolehlivě zaoblovat. Pokud je zapnuta funkce "Řetězení tečny" a řetězení se nepromítne přes vrchol, který vypadá jako tečný, možná jste objevili problém s blízkou tečností. Rychlý způsob, jak toto otestovat, je spustit příkaz Zaoblení a vybrat hranu. Tečné hrany nelze vybrat. Pokud můžete hranu vybrat s aktivním příkazem zaoblení, není tečná.

Nejlepší opravou je vrátit časovou osu zpět a upravit původní geometrii tak, aby se vytvořila podmínka tečny.

Vyzkoušejte si sami

Vyzkoušejte si možnosti modelování Fusion 360 sami - bezplatnou zkušební verzi (resp. bezplatnou verzi pro pro kutily) Autodesk Fusion 360 ve verzi pro Windows 10/11 nebo pro macOS si můžete stáhnout např. na F360.cz/stahnout. Bezplatnou českou lokalizaci získáte na chci.fusioncesky.cz.

Viz též další výukové materiály k Fusion 360 - další články zde na blogu a na portálu F360.cz, viz tipy a triky, viz CAD/CAM poradna na Facebooku, viz průvodce Fusionem, viz e-learning kurzy, viz školení nebo viz videosérie Základní přehled funkcí:

Připraveno dle série na blogu Fusion 360 (autor: Paul Munford)