Các phần mềm CAD 3D (1) phổ biến hiện nay cung cấp nhiều kỹ thuật mô hình hóa (modeling technique) (2) khác nhau và có thể kết hợp chúng để tạo ra gần như cùng một kết quả cuối cùng. Khái niệm về phương pháp mô hình hóa “tốt nhất” luôn thay đổi tùy theo từng tình huống, nhưng hoàn thành mô hình trong thời gian ngắn nhất luôn là một lợi thế. Chi phí cơ hội – tức thời gian cần để hoàn thành mô hình, luôn nên được giảm xuống mức thấp nhất.
(1) CAD 3D (3D Computer-Aided Design) là phần mềm thiết kế kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính trong môi trường ba chiều. Đây là công cụ được các kỹ sư và nhà thiết kế sử dụng để tạo ra mô hình 3D chính xác của các chi tiết, cụm lắp ráp hoặc sản phẩm trước khi đưa vào sản xuất.
(2) Kỹ thuật mô hình hóa là cách thức sử dụng các công cụ CAD để xây dựng mô hình 3D của một chi tiết hoặc sản phẩm.

Để đạt được điều đó, người thiết kế nên hiểu rõ ưu điểm của từng kỹ thuật mô hình hóa cũng như những cách kết hợp hiệu quả giữa các công cụ CAD. Bài viết này sẽ xem xét ba phương pháp gồm mô hình khối tròn xoay (Revolved Body), chuỗi lệnh Boss-Extrude và mô hình hóa bề mặt (Surface Modeling).

Một kỹ thuật được xem là hữu ích khi mang lại nhiều lợi ích như dễ phát triển thiết kế, dễ chỉnh sửa, thao tác xoay mô hình mượt mà dưới con trỏ chuột, rút ngắn thời gian hoàn thành dự án và hỗ trợ cộng tác hiệu quả với các kỹ sư CAD khác.

Mô hình khối tròn xoay – Đơn giản và hiệu quả
Hình 1 minh họa thiết kế của một moay-ơ trục (axle hub). Xét từ góc độ của máy tính, tức thời gian phần mềm cần để xử lý, mô hình khối tròn xoay là một lựa chọn có hiệu suất khá tốt. Phần lớn thông tin cần thiết để tạo hình khối đều được chứa trong một bản phác thảo duy nhất.

Hình 1: Bản phác thảo mặt cắt của một chi tiết dạng tròn xoay có thể thể hiện một cách mô hình hóa tối ưu. Toàn bộ thông tin đều được chứa trong một bản phác thảo duy nhất. Tuy nhiên, lịch sử phát triển của thiết kế lại không được thể hiện rõ.

Nếu chi tiết này được sử dụng nhiều lần trong một cụm lắp ráp lớn hơn, thời gian tái tạo mô hình (rebuild time) có thể trở thành yếu tố quan trọng. Tuy nhiên, công cụ Freeze có thể khiến vấn đề này gần như không còn đáng quan tâm. Freeze là một công cụ tối ưu hiệu năng cho phép khóa các đặc tính (feature) cụ thể trong cây FeatureManager để loại chúng khỏi quá trình tái tạo mô hình. Nhờ không phải tính toán lại các bề mặt phức tạp, các mẫu lặp hoặc các đặc tính nặng, thời gian rebuild được rút ngắn đáng kể.

Vậy xét dưới góc nhìn của người thiết kế CAD, mô hình khối tròn xoay có thực sự hiệu quả hay không? Có thể việc tập trung toàn bộ các kích thước điều khiển vào một bản phác thảo không chỉ đơn thuần là thuận tiện mà còn mang nhiều ý nghĩa hơn. Tuy nhiên, bản phác thảo của mô hình tròn xoay chỉ là một mặt cắt ngang, nên không hoàn toàn trực quan khi thực hiện đánh giá thiết kế.

Trong ví dụ ở Hình 1, bản phác thảo tròn xoay phản ánh toàn bộ hình dạng cuối cùng của sản phẩm. Tuy nhiên, trên thực tế, toàn bộ thông tin đó có thể chưa tồn tại tại thời điểm bắt đầu vẽ bản phác thảo. Có thể bản phác thảo đã được chỉnh sửa và bổ sung qua nhiều giai đoạn khác nhau, nhưng bản thân nó lại gần như không cho thấy thiết kế đã phát triển theo quá trình như thế nào.

Boss-Extrude – Ghi lại lịch sử phát triển của thiết kế
Hình 2 minh họa một mô hình khối tương tự, nhưng lần này quá trình phát triển được lưu lại chi tiết hơn thông qua nhiều bước mô hình hóa, cụ thể là các lệnh Boss-Extrude, xuất hiện trong cây FeatureManager. Mỗi bước mô hình hóa ghi lại một giai đoạn trong quá trình khám phá và hoàn thiện thiết kế.

Hình 2: Chuỗi các bước mô hình hóa bằng Boss-Extrude tạo ra một mô hình tương tự Hình 1 nhưng lưu giữ nhiều thông tin hơn về quá trình phát triển thiết kế. Cách tiếp cận này có thể mất nhiều thời gian hơn khi xây dựng ban đầu, nhưng đồng thời cũng giúp việc chỉnh sửa và hoàn thiện thiết kế sau này trở nên dễ dàng hơn. Các ghi chú (được tô vàng trong hình) hỗ trợ quá trình hiểu và tiếp nhận mô hình.

Việc đặt tên có ý nghĩa cho từng đặc tính trong FeatureManager tuy mất thêm một chút thời gian nhập liệu, nhưng sẽ giúp chính bạn trong tương lai cũng như những người khác dễ dàng hiểu được cấu trúc của mô hình. Ngoài ra, việc bổ sung ghi chú và bình luận cũng giúp quá trình chỉnh sửa thiết kế về sau trở nên hiệu quả hơn.

Chỉ cần nhìn vào lịch sử đặc tính cũng có thể thấy thiết kế ban đầu được khởi tạo từ một hình trụ rỗng. Việc đưa thanh thời gian về các bước trước đôi khi cũng là một trải nghiệm thú vị. Điểm khởi đầu này cho thấy rõ các ràng buộc và ý đồ thiết kế ban đầu, chẳng hạn như đường kính trong và đường kính ngoài.

Ở một giai đoạn trong quá trình phát triển, chiều dài của moay-ơ từng là một yếu tố cần được cân nhắc. Khi thiết kế tiếp tục hoàn thiện, một bề mặt chặn được bổ sung. Sau đó xuất hiện nhu cầu thêm phần moay-ơ định tâm. Tiếp theo, một rãnh giảm tải được thêm vào nhằm tránh hiện tượng giao thoa với chi tiết lắp ghép.

Để loại bỏ nhu cầu sử dụng kết cấu đỡ khi in 3D chi tiết, một khoang rỗng được bổ sung ở phía không làm việc của mặt bích chặn. Cuối cùng, lịch sử thiết kế kết thúc bằng việc thêm các mép vát (chamfer) nhằm hỗ trợ quá trình lắp ráp trong sản phẩm hoàn chỉnh.

Surface Modeling – Vẻ đẹp nằm dưới lớp bề mặt
Hình 3 minh họa kỹ thuật mô hình hóa bề mặt (Surface Modeling). Ví dụ này chủ yếu nhằm nhắc lại những gì diễn ra phía sau khi người dùng thực hiện mô hình hóa khối rắn. Trong trường hợp này, các bề mặt của chi tiết đều là các dạng hình học lăng trụ đơn giản nên hầu như không cần đến các đường cong mềm mại hoặc các bề mặt phức tạp – vốn là thế mạnh của Surface Modeling.

Hình 3: Mô hình hóa bề mặt (Surface Modeling) cho phép kiểm soát riêng từng bề mặt của mô hình. Khi thiết kế yêu cầu các đường cong hoặc hình dạng phức tạp, kỹ thuật này có thể là giải pháp phù hợp. Trong ví dụ này, việc sử dụng Surface Modeling chủ yếu mang tính minh họa và khám phá hơn là phục vụ một yêu cầu kỹ thuật bắt buộc. Phần được tô vàng nhấn mạnh các ghi chú được thêm vào nhằm giải thích ý đồ mô hình hóa của người thiết kế.

Các bề mặt hình trụ ở phía trong và phía ngoài của moay-ơ được sử dụng làm điểm khởi đầu. Những bề mặt này được tạo bằng lệnh Extrude từ một bản phác thảo, tương tự như cách tạo một khối rắn bằng Extrude.

Bề mặt ngoài của hình trụ sau đó được tách (Split) và dịch chuyển (Offset) để tạo thành mặt bích. Tiếp theo là nhiều bước mô hình hóa nhằm tạo ra các bề mặt của rãnh giảm tải. Một bề mặt Boundary Surface được sử dụng để tạo phần mép vát phục vụ cho quá trình in 3D.

Các bề mặt phẳng (Planar Surface) được thêm vào để bịt kín hai đầu của moay-ơ, tạo thành một thể tích khép kín. Sau khi loại bỏ một số bề mặt chồng lấn, toàn bộ mô hình bề mặt được Knit thành một khối rắn hoàn chỉnh. Khi đã trở thành khối rắn, việc bổ sung các mép vát nhỏ còn lại trở nên thuận tiện hơn.

Để xem các tin bài khác về “Mô hình hóa”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: The Fabricator