În ultimele trei decenii, cercetările academice au explorat multe variații ale modelului volumetric deformabil, cum ar fi vectorul discret, arborele graf, descompunerea octree sau spațiul ierarhic și metoda de urmărire a razelor. Aceste lucrări de cercetare inspiratoare au contribuit la studiul modelului principal volumetric în-proces, care începe cu o animație extinsă de îndepărtare a materialului cu buffer Z extins, îmbogățită cu Z map stick și se termină cu modelul voxel extins. Industria de prelucrare virtuală învață, îmbunătățește și îmbină aceste tehnici în modelele lor hibride în-proces, care pot folosi buffer Z extins pentru animația de îndepărtare a materialului, stick pentru freza cu 3 axe, voxel pentru freza cu 3-5 axe sau strunjire-frezare și volum măturat pentru optimizare. Însă, industriile de prelucrare virtuală își publică rareori structurile interne de date și algoritmii, cu excepția câtorva brevete, dezvăluirea doar a anumitor tehnici care ar putea fi ușor identificate prin datele de export și interfața cu utilizatorul.

Descompunere Spațială Ierarhică Octree

În loc să reprezinte semifabricatul ca o colecție de stick-uri în simularea NC cu 3 axe, este posibil să-l reprezinte ca o colecție de cuburi sau sfere sau orice astfel de celulă de aceeași dimensiune. Aceasta se numește descompunere uniformă în spațiu (uniform space decomposition = USD). Totuși, aceasta este numai o presupunere că un bit este necesar pentru a desemna o celulă, pentru a reprezenta o piesă de prelucrat de dimensiunea 1 m cu o rezoluție de 1 μm, este necesar mai mult de 1.000 x 1.000 x 1.000 GB. Evident, acest lucru nu este practicabil. Prin urmare, au fost dezvoltate metode de reprezentare a unui obiect ca o colecție de celule de dimensiuni diferite, cum ar fi descompunerea spațială ierarhică (hierarchical space decomposition = HSD) sau reprezentările octree în Fig. 24.

Un octree este o structură de date arborescentă în care fiecare nod intern are exact opt ​​copii. Octree este o reprezentare HSD în care un obiect este reprezentat de un set de cuburi mai mari cu subdiviziuni de opt cuburi mai mici. Acest lucru reduce considerabil necesarul de memorie. Fiecare cub are o optime din dimensiunea cubului său părinte și se numește octant. Toți octanții pot fi vizualizați ca nodurile unui arbore în care fiecare nod are opt ramuri. Un octant poate fi complet în interiorul sau în afara solidului, atunci când nu este nevoie să se divizeze în continuare, devin nod leaf (terminal). Numai octanții de graniță sunt subdivizați în opt octanți. Această subdiviziune continuă până când dimensiunea suboctantului este egală cu rezoluția necesară. Numărul total de octanți care trebuie stocați într-un octree este mult mai mic decât cel al reprezentării USD, deoarece la subdiviziune iau parte octanții de graniță. În practică, memoria octanților non-graniță poate fi redusă cu un algoritm de compresie. S-a constatat că în cazul unui octree numărul de octanți necesari este aproape proporțional cu aria suprafeței obiectului. Toate calculele octree se bazează pe aritmetică cu numere întregi, ceea ce înseamnă că algoritmii de analiză sunt rapizi. Algoritmii Octree sunt procese-paralele prompte prin definiție. Memoria cerută de reprezentarea octree este independentă de numărul de primitive și operații. Pentru o anumită rezoluție, memoria necesară depinde doar de aria suprafeței obiectului. Operațiile booleene și afișarea de redare în vizualizare izometrică sunt trivial de simple, deoarece aceste operații necesită doar traversarea arborelui cu un simplu schimb de termeni. Utilizatorul este liber să aleagă orice acuratețe dorită (cu prețul vitezei și memoriei). Modelarea grosieră este o facilitate unică pentru HSD. Un model grosier al unui solid poate fi produs și procesat rapid pentru a obține o estimare de ordin de mărime a rezultatelor. Dacă acestea sunt considerate favorabile, se poate produce un model mai exact rafinat.

Totuși, Octree este o reprezentare aproximativă, iar necesarul de memorie crește exponențial odată cu creșterea rezoluției. În loc să folosească subdiviziuni ale octanților de graniță, mulți cercetători au propus noi modalități de a descrie cu precizie geometria suprafeței de graniță. Octantul limită este redenumit celulă deoarece nu mai există suboctant.

Arborele de graf a adăugat două noduri suplimentare pe fiecare margine, astfel încât să poată fi formate câteva triunghiuri pentru a aproxima orice plasă de poligoane. Dacă un nod de plasă se încadrează în această celulă, va fi înregistrat un nod suplimentar. O suprafață este subdivizată de celule în bucăți mici și înregistrată în celulă.

O invenție inspiratoare este așa-numita metodă bazată pe istoricul prelucrării. În loc să înregistreze suprafața în octant, această metodă înregistrează traseul sculei CNC vecin și freza conectată în celulă. Traseul sculei vecin este piesa de traseul sculei care cel mai probabil va tăia în celulă. Orice mărire sau rotire a piesei de prelucrat va declanșa o recalculare a geometriei celulei și va genera pe ecran o imagine a buffer-ului Z extins mai detaliată. Acest lucru este bun pentru programe NC mici. Dar, istoricul prelucrării crește odată cu codul NC, care ar putea fi milioane de linii de text.

Voxel ca multiple straturi de Cubic Stick

Termenul voxel reprezintă un element de volum în schema modelului geometric de descompunere spațială, la fel cum termenul pixel numește un element de imagine în grafica raster. Harta Z extinsă cu metoda stick ar putea fi considerată ca un model de voxel cu un singur strat simplificat și extins, ca în Fig. 25.

Figura 26 ilustrează un exemplu de model voxel, care ar putea fi considerat ca un element stick de mai multe unități de înălțime stivuit împreună, iar cerințele de memorie sunt enorme. Este nevoie de a stoca matricea de voxeli în formă comprimată și de a utiliza algoritmi care vor opera direct asupra datelor comprimate, mai ales când materialul este omogen, unde voxelul intern ar putea fi reprezentat prin extensia voxelului de graniță.

Este posibil să convertiți matricea voxel într-o altă reprezentare mai compactă și să le reconvertiți în voxel atunci când este necesar. Voxelizarea este procesul de conversie a unui obiect 3D într-un model voxel. Figura 27 prezintă un exemplu de voxelizare test.

Un sistem bazat pe voxel ar trebui să poată actualiza afișajul la rate interactive. Sistemele actuale de redare a graficelor nu pot oferi un nivel de performanță de redare pe modelele voxel care să fie comparabil cu performanța lor de redare cu poligoane. Algoritmii paraleli și suportul hardware pentru redarea volumului sunt în centrul eforturilor actuale de cercetare. Doar voxelul de graniță este redat printr-o listă de culori brevetată, care evită efectiv difuzarea de raze costisitoare a voxelilor interni uriași. Redarea unui model voxel este ușor de realizat prin redarea unui nor de puncte. Cu toate acestea, afișarea voxelului intern nu este posibilă cu această metodă și necesită mai mult studiu. Figura 28 prezintă redarea modelului voxel cu afișare voxel.

Analizând în continuare modelul voxel, se crede că modelarea volumului bazată pe voxel este o abordare foarte promițătoare a IPM unificat pentru simulări de prelucrare multiplă și de fabricație stratificată. Ca o clonă naturală a tehnologiei de imprimare 3D de fabricare a straturilor (Chandru et al. 1995), modelul voxel al unui obiect și obiectul fabricat folosind o imprimare 3D seamănă foarte mult unul cu celălalt, deoarece ambele sunt formate din straturi de celule mici. În plus, modelele bazate pe voxel îi permit proiectantului să analizeze obiectul de imprimare 3D și să-l modifice la nivel de voxel, ducând la proiectarea compozitelor personalizate cu topologie arbitrară. În această lucrare este propus un IPM simplificat bazat pe voxel pentru a uni noua imprimare 3D și simularea tradițională de prelucrare.

Reprezentarea voxel simplifică, de asemenea, calcularea operațiilor de set boolean regularizat și a volumelor de îndepărtare a materialului. Prin utilizarea ratei de îndepărtare a materialului măsurată prin numărul de voxeli îndepărtați, viteza de avans poate fi ajustată adaptiv pentru a crește productivitatea prelucrării.

Model unificat în-proces de prelucrare multiplă și imprimare 3D

În timpul noii imprimări 3D combinate și prelucrări multiple, cum ar fi fabricarea prin depunere de forme, o piesă de imprimare 3D trebuie introdusă cu un dispozitiv electronic și frezată până la o anumită formă. Simularea unificată de imprimare-prelucrare 3D afișează procesul de prelucrare în care piesa de prelucrat generată de imprimarea 3D inițială este convertită progresiv în piesa finită. Reprezentarea voxel este utilizată pentru a modela eficient starea de IPM, care este generată prin scăderea succesivă a volumelor măturate de sculă din piesa de prelucrat (Donggo et al. 2000).

Figura 29 ilustrează cadrul IPM unificat bazat pe voxel pentru imprimarea 3D și prelucrarea multiplă. Simularea imprimării 3D bazată pe voxel poate fi realizată prin voxelizarea formelor drumurilor, care sunt similare cu o țeavă de-a lungul traseului sculei de imprimare 3D. Adăugarea booleană între voxelul formei de drum și voxelul de bază este rapidă și stabilă, independent de forma modelului, ceea ce este o problemă critică cu B-rep. Un strat de forme de drum ar face un modelator solid bazat pe B-rep foarte lent, deoarece operațiunea booleană B-rep depinde de forma modelului.

În plus, IPM unificat propus este un model de rețea voxel natural (Nakashima et al. 2002) pentru așa-numita analiză CAE bazată pe imagini și acest CAD, CAM și CAE unificat suplimentar.

CAD 3D actual implică doar date de formă, ceea ce, în consecință, ridică anumite dificultăți în modelarea și simularea proceselor care vizează prezicerea performanței produselor finale. Kase a introdus voxel CAD, care stochează atribute fizice împreună cu datele de formă 3D (Kase et al. 2003). Voxel CAD permite partajarea datelor prin diferite simulări și metode flexibile de producție.

Există și alte abordări ale modelului unificat de procese de fabricație, dar niciuna dintre ele nu ar putea atinge uniformitatea pe care modelul voxel ar putea-o oferi. Modelul voxel ar putea fi utilizat în generarea-simularea-optimizare traseului sculei NC, optimizarea designului formei, simularea procesului de formare și multe alte aplicații de producție. Acest lucru va avea ca rezultat un model de geometrie volumetrică unificată pentru toate procesele de proiectare și producție, care ar șterge bariera de schimb de date și problema re-împletirii CAE.

CGTech a început de la software-ul de verificare NC și apoi la software-ul de optimizare și simulare NC. În primii 15 ani, CGTech s-a concentrat pe îndepărtarea materialului, iar recent a început să lucreze la adăugarea de material. Deoarece majoritatea aeronavelor au nevoie acum de fibră de carbon, programul Boeing 787 a cerut CGTech să dezvolte software-ul de fabricație și simulare a compozitelor. Deci, acum, după 10 ani, producția și simularea compozitelor este una dintre activitățile sale de bază. Pentru compozitul cu fibre, VERICUT poate nu numai să simuleze, ci și să realizeze programul de plasare a fibrelor. Prin urmare, fabricarea și simularea compozitelor au devenit o nouă creștere pentru prelucrarea virtuală.

Simularea compozite VERICUT (Fig. 30) citește modele CAD și programe NC, fie din VCP, fie din alte aplicații compozite de generare a traseului și simulează secvența de programe NC pe o mașină virtuală. Materialul este aplicat pe formularul de aranjare prin intermediul instrucțiunilor programului NC într-un mediu virtual de simulare CNC. Materialul simulat aplicat formei poate fi măsurat și inspectat pentru a se asigura că programul NC respectă standardele și cerințele de fabricație. Un raport care arată rezultatele simulării și informații statistice poate fi creat automat.