De la idee la prototip

Stau aici și mă gândesc care ar fi cel mai ușor drum de la idee la prototip. În același timp însă, pot spune că cel mai scurt drum nu e întotdeauna și cel mai bun. Defapt rare ori se dovedește a fi așa. Și atunci cred că cel mai bine ar fi să căutăm drumul optim. Asta e cel mai greu când lipsește  experiența. Experiența te ajută să te ridici din teorie și să vii cu idei practice. Teoria fără practică și mai ales practica fără teorie sunt două lucruri care trebuie evitate.

Demersul acesta de a dezvolta o idee pornește cu niște schițe libere. Creionul mereu are sugestii atunci când ne blocăm în realizarea unui design. Uneori are prea multe idei și devine o problemă sortarea lor. În schimb putem genera niște schițe din furtuna noastră de idei. Putem considera aceasta, cea mai eficientă metodă de a prinde ideile. Dacă așteptăm... ele ne scapă și le pierdem. Prin urmare în acest pas nu vom considera nicio altă unealtă în afara creionului și a hârtiei indiferent cât de high-tech este lumea la momentul lecturii acestui text.

Schițe și desene pentru idei

Ca să nu ne lăsăm ideile să scape, le creionăm repede. Însă, cât de bine le prindem în creion depinde de dexteritate într-o mai mică măsură, decât de tehnică. Tehnica e cea mai importantă! Un om deprins cu metoda schiței poate să pară că nu depune absolut niciun efort când își ilustrează ideile pe hârtie. La acest stadiu ideile sunt pufoase, plutesc, nu au dimensiuni, nici formă clară nu au și nu se lovesc de nicio restricție. Nu au aspirații și nici obligații. Nu trebuie să îndeplinească nimic și nici să mulțumească pe nimeni. Sunt mai aproape de filozofie decât de concret. Singurul lucru pe care îl au în comun este tema proiectului.

Cum încep? Pe o hârtie încep să las creionul să alunece. Îmi adun gândurile și las creionul să lucreze. Pentru începători o variantă sunt schițe de tip bloc. Folosim blocuri pentru a exprima idei. Acestea nu necesită talent lupestru.  Ne ajutăm de text, la această etapă și mereu. Încetul cu încetul putem adăuga forme bidimensionale simple. Acestea vor evidenția ideile mult mai bine.

O fază mai avansată a schiței ar presupune reprezentări așa-zise 3D și spun “așa-zice” căci nu sunt ci doar par a fi. Depinde de felul cum privești lucrurile și asta se numește perspectivă. Stăpânirea regulilor de perspectivă ne ajută mult în a comunica vizual ideile noastre. Să știți că perspectiva e și mai grea și mai ușoară. Cea mai grea comunică mult mai multe detalii, cea mai ușoară subliniază esența.

Acum, acestea fiind scrise, nu cere nimeni ca reprezentarea grafică să se asemene cu Rondul de noapte al lui Rembrandt sau Străduța lui Vermeer. Cum am subliniat anterior, experiența face diferența. Dacă există ea poate comunica mai multe lucruri cu mai puțin text. Altfel suplimentăm textul. Totuși încercăm să dezvoltăm idea, nu să descriem esența naturii umane.

De reținut aici sunt câteva idei simple

1. Schița liberă
2. Text tip bloc
3. Desen bidimensional
4. Perspectiva

Virtualizarea schițelor

Acum că avem o schiță, două… sau mai multe, putem începe predimensionarea și generarea de prototip virtual. Conform sarcinilor impuse de proiect. Aici metoda este în funcție de ce program de modelare geometrică stăpânește fiecare. Nu există programul perfect pentru acest pas, însă sunt câteva care încearcă să tindă spre perfecțiune. Altfel spus, sunt unele care pot face această tranziție de la schită la prototip virtual și altele care încearcă să facă, dar reușesc cu greu.

Pentru modelare avem mai multe abordări. Modelarea cu solide și modelarea cu suprafețe. Ambele prezintă avantaje și dezavantaje. În cazul modelării cu suprafețe se efectuează un contur tridimensional al obiectului cu pereți foarte subțiri. Grosimea lor e adimensională. Aceste suprafețe sunt asemenea unor table pe care le aranjăm, îndoim, răsucim, după cum dorim, pentru a obține obiectul din schitță.

La modelarea cu solide, avem un procedeu în care folosind corpuri geometrice primitive (prisme, piramide, sfere) obținem la intersecția lor obiectul droit. Prin operațiuni successive de scăderi de corpuri sau alăturări de corpuri obținem formele dorite.

În ambele situații trebuie să anticipăm forma. Prin operațiuni successive de modificare, adaos sau retragere de elemente putem obține obiectele dorite. Din acest motiv este utilă schița. Vedeți cum lipsa schiței ar face anticiparea formei imposibilă, mai ales pentru un începător. Inginerii trebuie să aibă viziune spațială! Ei își imaginează forma complexă, o transpun pe hârtie, o pot implementa într-un prototip virtual. Această viziune spațială e ca un mușchi care poate fi dezvoltat, la nesfârșit.

Un program bun poate face ambele proceduri de modelare. Aceste programe au evoluat foarte mult în ultimii ani datorită creșterii performanțelor calculatoarelor, implicit puterea de calcul. Datorită acestei evoluții putem să definim pentru program un obiect și el să-l recunoască. Amuzant este că dezvoltarea calculatoarelor a fost pe principiul reciprocității. S-au dezvoltat sistemele de fabricație care au produs calculatoare mai performante care au dus la dezvoltarea unor procese de fabricație mai fiabile care să permit producția de calculatoare și mai performante. Și tot așa.

Revenind la modelare. De exemplu putem modela 2 piese, apoi un ansamblu format din cele 2 piese. Programul va ști că prin asamblarea primei piese cu cea de-a doua s-a format ansamblul respectiv. Pe lângă aceasta, mai putem să descriem programului și relația dintre ceele două piese. De pildă, prima piesă se rotește față de piesa a doua, în timp ce cea de pe urmă este fixată în spațiu. În alt caz am putea spune programului să țină cont de faptul că în timp ce o piesă execută o mișcare de rotație, o alta să execute una de translație proporțională cu mișcarea primei.

Abilitatea aceasta de a recunoaște că un obiect este o piesă poate fi extinsă la unele programe. De exemplu în programele de modelare geometrice precum Autodesk Inventor Professional, într-un fișier de tip ansamblu putem adăuga piese standardizate. Nu mai trebuie să le modelăm ci doar să introducem câțiva parametri și le generează singur. Mergând mai departe, în zona electronica se pot face scheme electrice care au în alcătuirea lor componente inteligente. Se poate defini comportamentul unei componente și mai mult, se poate defini comportamentul întregului ansamblu. Acest lucru poate duce la realizarea unui studiu electromecanic odată ce schema și piesele sunt asamblate. Suntem tot la partea de prototipare virtuaă și iată câte lucruri putem face la nivel de program.

Iată câteva programe Autodesk care se folosesc în acestă etapă:

• Autodesk AutoCAD
• Autodesk Inventor Professional
• Autodesk Fusion

Având la dispoziție aceste unelte pot să-mi optimizez produsul proiectat. Am o parte mecanică pe care o pot simula și pot lua decizii cu privire la design. Am o parte electrică ce pot să o concep și să prevăd anumite defecte ce pot să apară datorită funcționalității extinse a programului de modelare.

Toate aceste etape trebuie parcurse cronologic pentru a avea rezultate mulțumitoare. S-a realizat schița în creion, sau mai multe schițe. Am făcut modelul virtual al câtorva dintre acele schițe. Acum putem simula comportamentul produsului proiectat în mediul virtual. Dacă în faza de predimensionare am greșit ceva, putem remedia aici. Pentru ca procesul să meargă lin, este necesară o comandă bună a calculatorului și a programelor în cauză. Atât a folosirii programelor cât și a cunoașterii modului în care funcționează, a lucrurilor unde excelează și a limitărilor lor. Deși aceste programe ne dau puteri nebănuite, nu ne scutesc de obligația de a învăța ingineria și responsabilitatea interpretării rezultatelor generate de ele.

Pregătirea pentru fabricație

Pregătirea pentru fabricație este un process complex. Acesta implică pregătirea modelului viertual pentru fabricație. Avem la dispoziție două moduri de fabricație. Prin adaos de material, se numește fabricație prin adiție; prin înlăturare de material sau așchiere. Pornind de la aceste două metode derivă tot felul de procedee de obținere de produse. Fiecare procedeu are avantaje și dezavantaje, care vor influența produsul finit. Acestea trebuie să fie bine cunoscute de către inginerul care hotărăște procedeul de fabricație.

În urma alegerii procedeului de fabricație, produsul virtual trebuie să fie modificat. El se abate de la ideal pentru a fi adaptat pentru procedeul ales. Această pregătire presupune schimbarea proprietăților de formă, dar și de structură. Este practice, o reproiectare, doar că de data asta ținem cont de posibilitățile de fabricație.

În funcție de procedeul de fabricație ales, se urmează un set de reguli pentru proiectarea sau reproiectarea pentru pregătirea pentru fabricație. Aceste reguli sunt generale, reușita fabricației mai ține și de experiența proiectantului cu tehnologia implicată.

Programele ce intră în acest process de pregătire pentru fabricație alcătuiesc procedeul Computer Aided Manufacturing CAM parte componentă a Computer Aided Engineering CAE. Aici intră programele cu ajutorul cărora se reproectează prototipul virtual initial, dar și programele ce comunică cu mașinile-unelte care urmează să realizeze operațiuni successive. Aceste operațiuni vor duce la obținerea produsului.

Urmează operarea mașinii de lucru. Aici avem de ales materialul, de calibrat și de introdus operațiunile de pregătire pentru fabricație. În funcție de mașină și tehnologia de fabricație aleasă această etapă este mai ușoară sau mai laborioasă.

Precizia cu care mașina lucrează este un factor important care se ia în calcul atunci când se allege tipul de fabricație. Proporțional cu precizia crește costul mașinii, pregărirea operatorului și numărul de operațiuni care trebuie realizate pentru a facilita producția.

În urma procesului de fabricație rezultă o piesă. În funcție de procedeu aceasta are nevoie de un grad mai mare sau mai mic de finisare. Dacă avem fabricație de serie medie (peste 1.000 de bucăți) sau mare ( peste 100.000 bucăți) finisarea implică procedee termice sau chimice de exemplu. Dacă avem fabricație de serie mica sau unicat acestea pot necesita finisare manual, sablare sau alte procese de finisare. Prototipul se încadrează la serie mica sau unicat.

Niște exemple de programe care se folosesc aici ar fi:

• Autodesk Fusion
• Autodesk Inventor CAM
• Ultimaker Cura

Până în acest momet am discutat despre partea mecanică. Am luat în calcul proprietățile fizico – mecanice ale ceea ce va devein produsul final. Însă, dacă acesta mai are și funcționalitate ce trebuie condusă, mai e nevoie de un sistem de comandă care de obicei este electronic.

Prototiparea cu plăci de dezvoltare

Am ajuns la electronica. Vom petrece un timp în această zonă. Aici intră atât acționarea cât și controlul, partea electrică și de putere. Cu ajutorul electronici dăm funcționalitate produsullui. În idea că putem induce mișcare și putem introduce elemente de logică. Este locul în care se întâmplă să mai modificăm ce am făcut până acum la celelalte etape pentru a îmbunătăți funcționalitatea.

De regulă, cei neinițiați în tainele misticismului electronicii încep cu o placă de dezvoltare multifuncțională și o adaptează pentru proiectul lor. Cei mai iscusiți dintre noi își proiectează placa și aceasta include numai elementele de care are nevoie proiectul în cauză. Totuși plăcile multifuncționale ajută mult pentru că pot compensa atunci când avem situații neprevăzute. Adică aș vrea să mai adaug o funcție nouă, de exemplu, la plăcile multifuncționale merg înainte. La cele proiectate de noi trebuie regândită toată configurația plăci.

Sunt niște dezbateri legate de plăcile multifuncționale disponibile. Inițial Arduino era placa de dezvoltare cea mai recomandabilă. Odată cu trecerea timpului tot asta a rămas cea mai bună. Mai ales datorită faptului că nu s-a schimbat și sunt avalanșe de tutoriale online. Acest tip de placă poate fi folosită pentru prototipare și învățare. Nu recommend folosirea ei în aplicații finale, destinate comerțului. Are o sumedenie de funcții. Unde se termină funcționalitatea acestei plăci începe piața componentelor complementare care extend capacitățile plăcii la nesfârșit. Prețul este redus, până și la noi. Permite atașarea de senzori, motoare, LED-uri și este programabilă.

Mai avem un pretendent. Pe numele Raspberry PI (RPI). Acesta depășește puțin domeniul microcontrollerelor și intră în zona microcalculatoarelor. În vreme ce Arduino permitea programarea, RPI are propriul sistem de operare bazat pe LINUX. Are și ssenzori, se pot adăuga alții. E ceva mai complexă, dar și mai scumpă. Se poate folosi pentru un proiect mai pretențios. Permite conectarea la internet făcă alte plăci de expansiune și se poate interveni asupra codului in timp real. E un calculator în miniatură. În această privință Arduino începe să pălească. Ce este drept, nu poți compara un microcontroller cu un microcalculator. Le-am alăturat doar în scopul prezentării în scopul prototipării.

Cele 2 plăci prezentate sunt cele mai frecvent întâlnite pe internet. Au cele mai multe tutoriale și cea mai multă documentație când vine vorba de diversitatea proiectelor deja realizate pe baza lor. Nu sunt nici cele mai bune, nici cele mai ieftine, nici cele mai potrivite pentru proiectele noastre însă dezavantajele lor sunt minime în fața puzderiei de avantaje căpătate la folosirea uneia dintre aceste două variante.

De reținut că:

• Folosim Arduino pentru proiecte mai mici
• Folosim Raspberry Pi pentru proiecte mari și complexe

Toate aceste variante de plăci de dezvoltare au posibilitatea de a fi programate. Ceea ce voi prezenta mai departe este acest proces de programare. Acesta este interdependent de toate celelalte etape ale procesului de prototiare. În caz că nu permite placa să atașez un anume motor, o aleg pe alta. La fel este și cu programarea. Mă gândesc dacă am nevoie de o anumită funcționalitate și aleg conform cu nevoile mele placa cu limbajul de programare care mă interesează. E un proces continuu cu multe reveniri la deciziile anterioare până ajung la rezultatul final.

Programarea și elementele de control

Se pot întâmpla multe lucruri aici. Dacă folosim o placă de dezvoltare Arduino, avem un limbaj de programare asemănător cu C/C++ în timp ce pentru RPI avem limbajul de programare Python și ceva elemente de programare folosind #BASH din LINUX. Diversitatea nu se încheie aici. Se pot folosi alte limbaje care ulterior pot fi convertite pe înțelesul celor două plăci 😊

Un prim punct de plecare ar fi în cazul programării, o cercetare corespunzătoare a ceea ce există deja pe internet. Nu am vrea la stadiu de prototip să facem un program de la zero, când el există deja într-o formă destul de apropiată de ce avem noi nevoie. Adică e mai ușor să edităm ceva existent, să adaptăm, decât să facem de a zero. Mai ales în faza aceasta de prototipare. Când ajungem la optimizare sigur se pot face tot felul de programe de la zero, dar acum, pentru a vedea un prototip cât mai repede, ne mulțumim cu ce există deja sau ce se poate adapta. Dacă nu avem un astfel de program deja pe internet, nu avem decât să-l scriem de la zero.

Să nu uităm de biblioteci. Acestea pot induce funcționalitate ce limbajul nu o are implicit. Dacă am nevoie de acționarea unui motor pot să iau în calcul toți parametri și să-ncep să fac logica de pornire, oprire, control și monitorizare. Mai ușor, pot folosi o bibliotecă de pe undeva, pe care o atașez programului meu și apelez funcții deja scrise. Singura problemă pe care o pot întâmpina este nivelul de complexitate al folosirii bibliotecilor respective.

Câteva referințe pentru această etapă ar fi:

1. Arduino IDE
2. Python
3. BASH

Un loc bun de căutat programe pe internet este GitHub. Această rețea se adresează programatorilor. Are un sistem de citare a proiecelor. Un programator poate cita proiectul altuia și îi poate aduce îmbunătățiri. Ajungând la infinit la un program mai bun per total. Pe noi în faza noastră de prototipare ne ajută faptul că acest program este disponibil. Putem citi liniile de cod. Le putem implementa pentru programul nostru.

Or să fie întrebări, desigur. Mai e un site bun pe internet pentru așa ceva. Se numește StackOverflow. Aici poți pune întrebări la care primești mai multe răspunsuri. Dacă răspunsul te-a ajutat îl poți ridica mai sus în lista de răspunsuri. Altcineva îți poate găsi întrebarea și poate ridica un alt răspuns care l-a ajutat pe el. Sau poate ridica răspunsul marcat de tine și mai sus. Vei vedea că răspunsurile care au cele mai multe marcaje pozitive sunt cele care merg cel mai bine. Sigur, mai sunt și alte site-uri, dar poți începe de la astea în realizarea programului tău. Prototipul se apropie de finalizare. Nu uităm că putem ajusta până și etapele anterioare, dacă la această etapă ceva nu merge și simțim nevoia de a schimba ceva la celelalte.

Punerea împreună și finalizarea

La finalul parcurgerii etapelor de mai sus, ne alegem cu un prototip. Această listă de etape nu este exhaustivă, desigur. Este doar o privire de ansamblu asupra procesului ce trebuie urmat pentru a obține un prototip.

În această scurtă prezentare scrisă am discutat despre importanța schițelelor și furtuna de idei. Am scos în evidență importanța viziunii spațiale. Pasul următor a fost modelarea virtuală ân care se folosesc programe avansate de proiectare Computer Aided Design CAD. Mai departe a fost etapa de pregătire pentru fabricație. Aici trebuie ales fie fabricația prin adiție, fie prin înlăturare de material sau așchiere. Apoi a urmat partea electronică cu plăcile de dezvoltare Arduino și RPI. Am încheiat discutând despre programare.