2 - 2008

Применение программных продуктов компании Delcam на Императорском фарфоровом заводе

Сергей Яшников

На санкт-петербургском Императорском фарфоровом заводе для создания керамических изделий сложной формы с 2004 года активно применяются новейшие компьютерные технологии моделирования и изготовления технологической оснастки Power Solution компании Delcam plc.

В 1765 году Екатерина II, изменив статус Невской порцелиновой мануфактуры (основана в 1744 году императрицей Елизаветой Петровной), дала ей новое название — Императорский фарфоровый завод. Более полутора веков фарфор этого завода украшал блистательные интерьеры дворцов Дома Романовых, вызывая всеобщее восхищение мастерством исполнения произведений, не имеющих себе равных по сложности и изяществу.

В советский период переименованное в Государственный фарфоровый завод им. М.В.Ломоносова (ГФЗ, ЛФЗ) предприятие обогатило мировое искусство агитационным и авангардным фарфором, впервые воплотив в материале теорию супрематизма с его лаконичной новой эстетикой. Здесь был определен новый стиль советского фарфора, сформированный на основе богатого наследия старых мастеров.

В соответствии с реалиями современной России и изменением формы собственности в 2005 году заводу было возвращено его историческое название — Императорский фарфоровый завод (ИФЗ, www.ipm.ru). Под маркой Imperial Porcelain возрождаются традиции создания элитарного фарфора для украшения интерьеров и праздничного стола — символа благосостояния и стабильности, роскоши и престижа, фарфора для коллекционеров и Правительственного фонда подарков.

На заводе сохраняются методы, лежавшие в основе технологии производства твердого классического фарфора, которая бвла разработана Д.И. Виноградовым еще в середине X VIII века. Их усовершенствование позволяет выпускать сегодня самый качественный фарфор в стране. Впервые в России здесь разработана технология и осуществлен промышленный выпуск изделий из костяного тонкостенного фарфора (Государственная премия СССР в области науки и техники). По своим свойствам (белизне, тонкости и звонкости) изделия из него больше всего напоминают знаменитый сорт древнекитайского фарфора — «яичную скорлупу». В области декорирования завод культивирует ручную уникальную роспись (цветочную, архитектурно-пейзажную, портретную) с использованием красок из редких и драгоценных металлов, филигранную цировку по золоту, роспись кобальтом, с конца Х IХ века — подглазурную пейзажную живопись.

Все это позволяет заводу оставаться единственным в России предприятием, выпускающим продукцию класса люкс, имеющую свой стиль и способную конкурировать с изделиями старейших и известнейших мануфактур Европы.

Сегодня в ассортименте ИФЗ около 4 тыс. наименований изделий — от повседневного сервиза и памятного сувенира до парадных сервизов и ваз, жанровой и анималистической скульптуры, декоративных блюд и пластин для оформления интерьеров. ИФЗ выполняет правительственные заказы для оснащения резиденций и заказы государственных структур, крупных корпораций и банков, изготавливает подарки для глав зарубежных государств и призы для победителей крупнейших соревнований и фестивалей. Фарфоровые сервизы завода украшали столы на торжественных приемах по случаю празднования юбилея Санкт-Петербурга, в дни проведения саммита G8 и ЕврАзЕС, а высокие гости получили тогда подарки, изготовленные на ИФЗ.

В начале 2003 года на базе музейной коллекции и в стенах ИФЗ был создан новый отдел Государственного Эрмитажа — Музей фарфорового завода. Первоклассные мастера воспроизводят знаменитые произведения XVIII- XX веков из заводского музея фарфора, ставшего частью коллекции Государственного Эрмитажа. Основной сложностью воссоздания является то, что при этом к ним нельзя прикасаться. Выходом стало использование лазерного (бесконтактного) сканирования, что повлекло за собой плотную работу с фасетами, которые представляют собой результаты сканирования изделия. Однако для получения сложных геометрических форм, какими являются изделия ИФЗ, необходимо не только создавать фасеты, но и совмещать фасетные тела с обычными CAD-моделями. Кроме того, изготовление копий уникальных произведений искусства требует применения реверсивного инжиниринга, так как цикл воссоздания изделий императорского периода без использования 3 D-моделирования занимает на заводе от 6 до 12 месяцев. Это недопустимо долго для современного промышленного предприятия, которое должно чутко реагировать на тенденции рынка и быстро осваивать новую продукцию.

Первым шагом на пути решения вышеперечисленных проблем стало приобретение в 2004 году во Франции фрезерного станка с ЧПУ с соответствующим программным обеспечением. Это был первый случай применения подобного оборудования в нашей стране в сфере фарфорового производства.

Однако с течением времени расширялась номенклатура выпускаемой продукции — от приспособлений и моделей до ювелирных изделий и скульптур. А большое количество сложных поверхностей в условиях штучного производства не позволяет воспользоваться преимуществами программ, основой которых является твердотельное параметрическое моделирование. В данных условиях требовался новый, более эффективный подход к 3 D-моделированию.

После периода преобладания твердотельного моделирования как главного подхода к разработке новых изделий в последние годы повсеместно растет признание важности поверхностного моделирования, особенно при разработке современных потребительских товаров. Поэтому большой интерес вызвала технология гибридного моделирования, реализованная в системе PowerSHAPE от английской фирмы Delcam plc , которая призвана объединить скорость твердотельного подхода с гибкостью поверхностного моделирования.

Концепция тотального моделирования (Total Modelling) стала продолжением тенденции, при которой твердотельное и поверхностное моделирование объединяются в одном CAD -пакете, а также добавила к гибридному моделированию новые возможности (работа с фасетными моделями, работа с рельефами). Это позволяет дизайнеру быстро переходить от одного метода моделирования к другому в зависимости от решаемых задач и получать желаемые результаты гораздо быстрее, чем раньше.

Total Modelling объединяет элементы семейства Power Solution в уникальную, полностью интегрированную комбинацию, которая обеспечивает твердотельное моделирование, поверхностное моделирование, фасетное моделирование, обратный инжиниринг, декорирование. Благодаря этому дизайнер получает полную свободу при выборе инструментов для разработки дизайна новых изделий без ограничений традиционных CAD-систем.

Учитывая вышеперечисленные достоинства программ компании Delcam, Императорский фарфоровый завод сделал следующий шаг в развитии производства — в начале 2007 года были приобретены PowerSHAPE Pro, PowerMILL Pro, ArtCAM Pro и CopyCAD из семейства Power Solution.

Для того чтобы проиллюстрировать один из аспектов работы с пакетом PowerSHAPE Pro, рассмотрим пример редактирования одного из изделий ИФЗ — настольной плакетки — с применением операции «морфинг».

Пакет PowerSHAPE Pro интересен в первую очередь подходом к созданию и редактированию поверхностей свободной формы. Поверхности NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline), используемые в большинстве CAD -систем, весьма затруднительно редактировать в дальнейшем. Зачастую необходимо решать задачи по изменению уже готовой 3 D -геометрии, что занимает довольно много времени. Однако следует отметить, что NURBS — это мощное математическое представление поверхностей, имеющее свои неоспоримые преимущества. В PowerSHAPE реализована возможность создания как NURBS, так и Power Surface — внутреннего представления поверхностей. P ower S urface можно легко и быстро отредактировать в динамическом режиме с помощью точек, из которых состоят образующие поверхность кривые, и касательными векторами в этих точках. Для более тонкого контроля над формой поверхности предлагается добавить дополнительные кривые (образующие), не перестраивая поверхность заново. Если же подобных мер недостаточно, то можно воспользоваться операцией морфинга — то есть деформации твердого тела или поверхности.

На рис. 1 представлена фотореалистика твердотельной модели, исполненной в Unigraphics NX 2 и импортированной в PowerSHAPE Pro .

На основе этой модели был создан конечный продукт — фарфоровая плакетка. Однако после обжига на изделии появились втяжки — проседания рельефного изображения на поверхности. Необходимо было усилить наполнение (изгиб) на внешней поверхности с рельефом, не изменяя остальной геометрии.

Раньше подобные изменения, как правило, требовали довольно значительной переработки 3 D -модели и работа в программе твердотельного моделирования заняла бы достаточно много времени. Использование операции морфинга позволяет упростить редактирование исходной модели и значительно сократить время работы. Для этого в PowerSHAPE Pro строятся два контура: первый (на рис. 2 обозначен зеленым цветом) — вокруг изначальной поверхности, второй (выделен на рис. 2 желтым цветом) — на основе первого, но с наполнением 3 мм. На базе этих контуров с помощью функции «Автоповерхность» строятся две поверхности. Для более строго контроля качества поверхности можно еще до построения добавить дополнительные образующие или, как уже упоминалось, скорректировать поверхность после построения. Затем операцией морфинга выбираются начальная и конечная поверхности деформации, а также зона действия этой деформации (рис. 3), поскольку наполнение необходимо добавить только на поверхность с рельефом.

Полученная в результате преобразований модель полностью удовлетворяет всем требованиям, а время, затраченное на работу, составляет считаные минуты.

В примере был использован способ двух поверхностей. В зависимости от целей и задач можно применять и другие способы, которые могут оказаться более эффективными. Еще одна отличительная особенность PowerSHAPE — это возможность наложения фасетов (рельефа) на CAD-модель. Рельеф может быть предварительно создан в программе ArtCAM Pro или заранее подготовлен в STL-формате.

Рис. 1. Фотореалистичное изображение настольной плакетки

Рис. 1. Фотореалистичное изображение настольной плакетки

Возвращаясь к рис. 1, хотелось бы отметить, что подобный рельеф проще и быстрее было бы выполнить в ArtCAM Pro по растровому или векторному изображению, а потом наложить его на 3D-модель в PowerSHAPE . Такое наложение можно легко корректировать тиснением наружу или внутрь, позиционировать рельеф, изменять размеры, масштаб и высоту. В результате наложения получается гибридное тело или поверхность (в зависимости от того, на какую основу осуществлялось наложение). Эту геометрию легко передать в PowerMILL Pro , который содержит большое количество стратегий фрезерной обработки и не предъявляет высоких требований к качеству геометрии, что дает возможность не доводить модель до «водонепроницаемости», то есть позволяет закрыть глаза на некоторые недочеты в создании модели. Однако следует помнить о том, что траектория инструмента рассчитывается исходя из математической модели и если в модели есть какие-либо значимые зазоры, то инструмент их повторит. Помимо этого PowerMILL Pro позволяет проанализировать время обработки, оптимизировать траекторию и различные стратегии обработки и выбрать наиболее приемлемый вариант еще до генерации данных в управляющую программу. Это заметно сокращает машинное время на чистовых и получистовых операциях. На черновых же операциях стратегия «Выборка смещением (обработка 3 D -модели)» с опциями «Сглаживание профиля» и «Сглаживание траектории», применением круговой интерполяции в постпроцессоре и уменьшением коэффициента ускорения в начале кадра в стойке ЧПУ позволила в полной мере использовать высокоскоростную обработку при корректной работе станка.

Рис. 2. 3D-модель плакетки, выполненная в PowerSHAPE

Рис. 2. 3D-модель плакетки, выполненная в PowerSHAPE

 

Рис. 3. Использование операции морфинга в PowerSHAPE

Рис. 3. Использование операции морфинга в PowerSHAPE

В качестве еще одного примера работы с семейством программ Power Solution рассмотрим создание копии декоративной фарфоровой вазы.

С 17 октября 2007 года по 13 января 2008 года в Выставочном зале Успенской звонницы Московского Кремля проходила выставка «Под царским вензелем», на которой демонстрировались произведения Императорского фарфорового завода из коллекции Государственного Эрмитажа. На рис. 4 показан центральный экспонат выставки — уникальная фарфоровая ваза эпохи Александра I.

Рис. 4. На открытии выставки. Центральный экспонат — декоративная ваза эпохи Александра I с двумя женскими фигурами

Рис. 4. На открытии выставки. Центральный экспонат — декоративная ваза эпохи Александра I с двумя женскими фигурами

Первым этапом работы является копирование оригинала, выполняемое методом лазерного сканирования. Данная операция проводилась специалистами санкт-петербургской фирмы «Бум техно» при помощи лазерного радара Metric Vision MV260. В качестве результата работы в ИФЗ был передан фасет оригинального изделия. 3D-модель, выполненная в технике фотореалистики на основе оцифрованных данных вазы, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Фотореалистичное изображение на основе оцифрованных данных вазы

Рис. 5. Фотореалистичное изображение на основе оцифрованных данных вазы

Как видно из рис. 4, оригинал вазы имеет довольно внушительные размеры, и создание ее на трехкоординатном станке с ЧПУ, предназначенном для изготовления гораздо более мелких моделей, не представлялось возможным. Для решения этой задачи необходимо было разделить фасет вазы на более мелкие составляющие, из которых в итоге можно было бы скомпоновать исходную скульптурную композицию. Для этого как нельзя лучше подошел пакет CopyCAD семейства Power Solution . Одним из важных преимуществ работы с ним является возможность создавать линии разъема, на основе которых в PowerSHAPE можно генерировать поверхности разъема. Это позволяет быстро и легко создавать полуформы для заливки гипса и дальнейшего изготовления модели.

На рис. 6 представлен пример фрезерной обработки части скульптурной композиции.

Рис. 6. Фрезерная обработка на станке с ЧПУ части скульптурной композиции вазы

Рис. 6. Фрезерная обработка на станке с ЧПУ части скульптурной композиции вазы

В заключение хотелось бы еще раз отметить, что программные продукты семейства Power Solution позволяют быстро пройти весь путь — от концептуального дизайна до серийного изготовления изделия, а также обеспечивают возможность простого внесения изменений как в дизайн, так и в технологический процесс.

Что касается преимуществ их применения для Императорского фарфорового завода, то, по словам ею генерального директора Николая Гордеева, внедрение новой технологии моделирования позволит заводу расшить узкие места на производстве и в кратчайшие сроки внедрить новые формы, что даст предприятию значительные конкурентные преимущества.

По мнению Николая Гордеева, соединение богатых старых традиций Императорского завода с современными технологиями позволит первому российскому фарфоровому производству совершить прорыв на международном рынке, прежде всего в Европе и Северной Америке. Таким образом, ценители фарфора ИФЗ уже в скором будущем смогут обновлять свои коллекции гораздо чаще.

 

Внедрение программных продуктов на Императорском фарфоровом заводе проводилось при непосредственном участии компании «Делкам-СПб» (Санкт-Петербург). Дополнительную информацию о возможностях CAD/САМ-систем компании Delcam plc можно получить на сайте www.delcam.ru.


Сергей Яшников

ОАО «Императорский фарфоровый завод».

В начало В начало

САПР и графика 2`2008