3D CAD sistemi, su računarski programi koji služe za modeliranje virtuelnog modela nekog proizvoda, odnosno tehnologija kojom se posredstvom računara definišu geometrijska, funkcionalna, materijalna, estetska i druga svojstva proizvoda.
Rezultat rada u 3D CAD sistemu je geometrijski model koji predstavlja virtuelni prototip proizvoda i glavni ulazni podatak u ostale računarom podržane tehnologije (CAx softvere, CA - Computer Aided). Proces izrade geometrijskog modela u 3D CAD sistemu (3D CAD programu ili 3D CAD softveru) se naziva 3D CAD modeliranje ili geometrijsko modeliranje. Termin 3D CAD modeliranje se često skraćuje na 3D modeliranje, što ponekad može izazvati zabunu jer postoji posebna vrsta 3D grafičkih softvera koji se tako zovu.
Jedna od najvećih prednosti 3D CAD softvera je što se modelirani objekat predstavlja u trodimenzionalnom prostoru t.j. na isti način kao što čovek u glavi predstavlja predmete koje gleda. Na ovaj način konstruktorima je olakšana vizuelizacija proizvoda koji razvijaju, čime se povećava produktivnost, kreativnost, kvalitet proizvoda...
Najpoznatiji 3D CAD sistemi su: FreeCAD, Catia, NX (sjedinjeni I-DEAS i Unigraphics), Creo (bivši Pro/Engineer), Solid Works, Solid Edge, T-Flex, Kompas 3D, ZW3D, IronCAD, Alibre... Inače 3D CAD sistemi se često nazivaju i 3D CAD softveri, 3D CAD programi ili 3D CAD aplikacije.
3D model, odnosno 3D virtuelni prototip proizvoda
Ranije su inženjeri morali oblik proizvoda predstavljati pomoću 2D crteža što je kod složenih delova i sklopova bilo komplikovano i oduzimalo je mnogo vremena. Zamislite izgled crteža kućišta motora nekog automobila ili na primer zavarene konstrukcije koja se sastoji od stotinak delova. Čak i iskusnom inženjeru će trebati dosta vremena da u potpunosti predstavi u glavi oblik tih proizvoda samo na osnovu 2D crteža.
Inženjerima je uvek bio cilj da što pre tokom razvoja novog proizvoda naprave njegov fizički model (prototip) jer se on može koristiti za proizvodnju drugih primeraka (kopiranjem oblika), određivanje karakteristika, proveru funkcionalnosti, testiranje proizvodnje... Do prve industrijske revolucije, prototipovi su služili samo za kopiranje t.j. da se na osnovu njih prave ostali primerci. Vremenom su proizvodi postajali sve složeniji, počela je njihova serijska proizvodnja i pored prototipa postalo je neophodno trajno zabeležiti oblik proizvoda, odnosno napraviti njegove tehničke crteže. Tehnički crteži su u suštini dvodimenzionalni geometrijski model proizvoda i on se na njima najčešće predstavlja pomoću ortogonalnih pogleda. Da bi svi učesnici u procesu razvoja proizvoda mogli razumeti 2D crteže koji su zasnovani na ortogonalnim pogledima, razvijeni su standardi i pravila (Tehničko crtanje) koji su nedvosmisleno garantovali razumevanje 2D modela od strane svih „čitalaca“ (projektanata, konstruktora, tehnologa, mehaničara, majstora za mašinama...).
Projektovanje i konstruisanje pre upotrebe računara, odnosno 3D CAD sistema
Izrada dvodimenzionalnih tehničkih crteža, odnosno 2D modela je vremenski dugačak i skup proces, a napravljeni crteži su razumljivi samo tehnički obrazovanim osobama. Štaviše, tehničko obrazovanje i standardi ne garantuju da će 2D model biti pravilno nacrtan ili pročitan, što dovodi do velikog broja grešaka i poskupljuje razvoj novog proizvoda. Koliko je 2D model na početku industrijalizacije doprineo bržem razvoju, toliko je usložnjavanjem proizvoda i pojavom masovne proizvodnje on počeo da postaje kočnica. Nastankom računara 50-ih godina prošlog veka inženjeri su brzo shvatili da se oni mogu koristiti za automatizaciju raznih aktivnosti tokom projektovanja i proizvodnje.
U početku je hardver bio slab, nisu postojale napredne metode za geometrijsko modeliranje i prvi CAD sistemima su bili sposobni samo za izradu 2D modela proizvoda t.j. za izradu tehničkih crteža. Slobodno se može reći da su prvi CAD sistemi samo zamenili crtaću tablu računarom. 2D CAD sistemi su u velikoj meri ubrzali proces projektovanja jer su oslobodili inženjere rutinskih aktivnosti tokom izrade konstruktivne dokumentacije, ali je to bilo nedovoljno i proces razvoja CAD sistema se nastavio.
Daljim razvojem hardvera i nastankom matematičkih metoda i algoritama namenjenih za opisivanje trodimenzionalnih oblika, polako su počeli da se pojavljuju 3D CAD sistemi i inženjeri su najzad dobili priliku da rade sa virtuelnim trodimenzionalnim modelima proizvoda. Rad sa virtuelnim prototipovima omogućio je niz prednosti, koje možete pogledati na strani Prednosti CAD sistema.
Pristupačan kvalitetni hardver zajedno sa prednostima koje donose sa sobom 3D CAD softveri doveo je do njihovog naglog širenja. Konkurencija među proizvođačima ovih softvera i veliki broj korisnika izazvao ne samo pad njihove cene već i nastanak raznih vrsta 3D CAD softvera. Danas ne samo da postoje 3D CAD sistemi raznih namena, već za svaku namenu postoji ceo cenovni rang tako da svako preduzeće koje želi da implementira 3D CAD sistem može da izabere optimalni sistem za svoju veličinu i oblast proizvodnje.
Istorijski gledano CAD/CAM softveri su imali izuzetno velik uticaj na računarske sisteme i slobodno se može reći da su do 80-ih godina prošlog veka upravo ovi softveri diktirali razvoj kako hardvera tako i softvera.
Počeci 3D CAD modeliranja
Danas 3D CAD sistemi predstavljaju jednu od najsloženijih vrsta softvera i bez njih je nemoguće zamisliti bilo koje moderno proizvodno preduzeće ne samo u mašinskoj već i u velikom broju drugih industrijskih oblasti. Ranije su ovi programi bili rezervisani samo za vrste proizvodnje koje imaju izuzetno velike profite poput vazduhoplovne industrije, automobilske industrije, industrije naoružanja...., a danas se ovi sistemu masovno koriste u velikom broju industrijskih oblasti kao što su građevinska, tekstilna, elektronska, industrija nameštaja... Takođe, ranije su ovi softveri bili rezervisani samo za inženjere a danas su oni na raspolaganju i entuzijastima, đacima, studentima, majstorima, zaljubljenicima u moderne tehnologije...
Jedan od glavnih razlog popularnosti 3D CAD softvera je sposobnost pravljenja trodimenzionalnog virtuenog prototipa proizvoda koji može dalje poslužiti za automatizaciju pomoću računara velikog broja aktivnosti koje se obavljaju tokom procesa razvoja novog proizvoda. Praktično rečeno jednom modelirani 3D model proizvoda može poslužiti za proračune metodom konačnih elemenata, za pripremu proizvodnje, za simulaciju proizvodnje na RNU mašinama (CNC mašinama), izradu fizičkog prototipa 3D štampanjem, fotorealističnih marketinških slika...
Geometrijski oblik proizvoda je najvažniji ulazni podatak skoro svim računarom podržanim tehnologijama (CAM, CAE, CAPP...). Virtuelni 3D model proizvoda stvoren u 3D CAD programu je nosilac informacija o obliku proizvoda i na osnovu njega svi CAx softveri stvaraju podatke za koje su nadležni. Na ovaj način jedanput stvoren virtuelni model proizvoda postaje univerzalni ulazni podatak na osnovu koga svi ostali CAx softveri pune centralnu bazu podataka o proizvodu i procesima. Posle obrade 3D modela u CAx softverima, unutar baze se mogu nalaziti razne vrste podataka: 3D model, konstruktivna dokumentacija, rezultati proračuna fizičkih osobina proizvoda (masa, zapremina...), rezultati proračuna metodom konačnih elemenata, tehnološka dokumentacija, uputstva, podaci o izvršenim kontrolama...
Moderni 3D CAD softver
Pored projektovanja i konstruisanja 3D CAD tehnologija ima veliki uticaj i na ostale procese koji se odvijaju prilikom razvoja novog proizvoda, preciznije rečeno pomoću 3D modela proizvoda omogućena je integracija konstruisanja sa procesima kao što su analiza, optimizacija, priprema proizvodnje... Za 3D CAD sisteme se može slobodno reći da su oni prvi neophodni korak koji stvara uslove za računarom integrisanu proizvodnju CIM (Computer-integrated manufacturing).
3D CAD softvere možemo definisati kao alate pomoću kojih projektanti i konstruktori na računaru beleže oblik proizvoda koji su zamislili. Da bi to bilo moguće, svaki 3D CAD softver mora da ima sposobnosti da prikazuje 3D model proizvoda na ekranu, manipuliše njime (pomeranje, zumiranje...), stvara novu geometriju, uređuju staru..., i sve to na što jednostavniji način, jer što je softver teži za upotrebu korisnik će manje razmišljati o projektu.
3D CAD softveri su izuzetno složeni sistemi i da bi postojali neophodno je bilo razviti nekoliko informatičkih i naučnih disciplina od kojih su najbitnije računarska grafika i geometrijsko modeliranje. Grubo rečeno kompjuterska grafika je zadužena za vizuelizaciju proizvoda na ekranu, a geometrijsko modeliranje obezbeđuje metode i algoritme za opisivanje oblika proizvoda.
Na početku razvoja 3D CAD softvera hardver je bio slab, a računarska grafika i geometrijsko modeliranje su tek bili u povoju. Jedini način modeliranja koji je u to vreme bio moguć je bilo žičano modeliranje. Žičano modeliranje je omogućilo inženjerima da prvi put vide trodimenzionalno proizvod na kome rade, ali na žalost nije omogućilo neke revolucionarne promene u radu. Ono je u velikoj meri unapredilo izradu 2D crteža, ali žičani 3D modeli se nisu mogli koristiti za simulacije obrade na RNU mašinama ili proračune metodom konačnih elemenata. Dalji razvoj hardvera i geometrijskog modeliranja omogućio je nastanak NURBS tehnologije pomoću koje je bilo moguće opisivati površinske 3D modele. Površinsko modeliranje je donelo revoluciju u vazduhoplovnu i automobilsku industriju jer je napokon bilo moguće precizno u tri dimenzije modelirati spoljašnji oblik aviona ili automobila i napraviti ga pomoću RNU mašina. Veliki nedostatak površinskog modeliranje je što su dobijeni 3D modeli bili šuplji i na njima nije moguće obavljati proračune metodom konačnih elemenata. Zbog ovog nedostatka razvijeno je zapreminsko modeliranje koje je danas najpopularniji način modeliranje. Zapreminsko modeliranje omogućava stvaranje punih 3D modela koji su pogodni kako za obavljanje simulacija obrade u CAM softverima tako i za razne proračune u CAE softverima.
Žičano, površinsko i zapreminsko 3D CAd modeliranje
Danas velika većina 3D CAD softvera podržava sve tri vrste modeliranja (žičano, površinsko i zapreminsko), ali se u mašinskoj industriji uglavnom koristi zapreminsko. Da budem precizniji vrsta zapreminskog modeliranja koje kao rezultat daje pune 3D modele čiji oblik je opisan B-rep tehnologijom, a način modeliranja kojim se oni dobijaju se naziva parametarsko modeliranje pomoću tipskih oblika. Možda naziv "parametarski B-rep 3D CAD softveri za modeliranje pomoću tipskih oblika" deluje malo rogobatno, ali to je precizni opisni naziv danas najčešće korišćenih 3D CAD softvera.