Co je nesting? Optimalizace řezání podle tvaru

Nesting je způsob, jak rozmístit díly na desku materiálu tak, aby se celá zakázka vyřezala z nejmenšího počtu desek. Když jsou díly nepravidelné tvary — ne prosté obdélníky — právě nesting umožní, aby do sebe zapadaly a sdílely místo, a odtud pochází skutečná úspora materiálu.

Co je nesting?

Představte si, že máte z ocelového plechu vyřezat padesát nepravidelných úhelníků. Rozložte je do úhledné mřížky a každý bude sedět ve svém vlastním obdélníku, přičemž prázdné místo kolem jeho oblouků a zářezů putuje rovnou do odpadu. Nesting místo toho bere každý díl jako jeho skutečný obrys a zasazuje díly do mezer, které nechávají jejich sousedé — trojúhelník zastrčený pod rameno písmene L, malý kus vyplňující zářez velkého. Cíl je vždy stejný: umístit každý díl a použít co nejméně desek.

Je to obdoba dobrého sbalení kufru, jen pro řezání desek. A stejně jako u balení kufru je celý vtip právě v tom, jaký tvar má to, co balíte.

Nesting vs. guillotinový řez

Existují dva zásadně odlišné způsoby, jak řezat desku, a hodí se každý na jiný stroj.

• Guillotinový řez vede přímé řezy od okraje k okraji. Každý řez prochází celou deskou (nebo celým pruhem, který zbyl po dřívějším řezu), takže díly skončí jako mřížka obdélníků. Přesně tak pracuje formátovací pila a je to správný model pro desky, plotny, sklo a tyče. Náš průvodce guillotinový vs. volný řez rozebírá tento kompromis podrobněji.
• Nesting (nazývaný také volný řez nebo řez podle skutečného tvaru) umisťuje libovolné mnohoúhelníky a nechává je zapadat do vzájemných konkávních kapes. Vejde se ho na desku víc, ale takové rozložení nelze vyrobit na formátovací pile — potřebujete stroj, který dokáže sledovat libovolnou dráhu.

Ani jeden není „lepší” obecně. Pokud jsou vaše díly obdélníky, guillotinové rozložení se vyrobí rychleji a je stejně účinné. Pokud mají vaše díly tvar, nesting je jediné, co získá zpět promarněný prázdný prostor.

Proč záleží na skutečném tvaru

Proč nesting šetří materiál, je nejlépe vidět při srovnání s poctivou obdélníkovou alternativou: dejte každému dílu jeho ohraničující obdélník (nejmenší obdélník, který ho obsahuje) a skládejte tyhle.

Na reprezentativní zakázce s 272 nepravidelnými díly na standardní desce použil nesting podle skutečného tvaru 6 desek. Přesně tytéž díly, poskládané podle svých ohraničujících obdélníků, potřebovaly 9 — o třetinu materiálu víc, čistě proto, že ohraničující obdélník počítá prázdné místo kolem každého tvaru jako plné.

To také vysvětluje častou past: procento „hustoty” nebo „výtěžnosti” u skládání podle ohraničujícího obdélníku může u horšího výsledku ukazovat vyšší hodnotu, protože prázdno v zářezech počítá jako zaplněné. Jediné číslo, které mezi oběma přístupy srovnává férově, je počet desek pro tytéž fyzické díly. Změřené srovnání najdete na naší stránce s benchmarky.

Jak funguje software pro nesting

Obdélníkový optimalizátor si vystačí s uvažováním o šířkách a výškách. Jádro pro nesting pracuje s geometrií: bere obrys každého dílu jako mnohoúhelník, zkouší ho v různých natočeních a hledá polohu, kde se díl nepřekrývá s žádným už umístěným dílem, ani s okrajem desky, ani s žádnou vyloučenou zónou. Protože jsou tvary libovolné, počet způsobů jejich uspořádání je astronomický, a tak jádro používá geometrickou heuristiku — rychlý test kolizí plus strategii umísťování — místo aby prověřovalo každou kombinaci.

Produkční nástroj pro nesting od hračky oddělují dvě vlastnosti. První je determinismus: stejný vstup by měl vždy vytvořit stejné rozložení, abyste z něj mohli tvořit cenovou nabídku, ukládat ho do mezipaměti a reprodukovat zakázku i po měsících. Druhou je, že hlásí poctivou metriku — počet desek, který fyzické díly skutečně potřebují — namísto čísla hustoty, které nadhodnocuje prázdno ohraničujících obdélníků. Standardní jádro CutOptimu stojí na obojím: na deterministickém hledání se zafixovaným semínkem a na hlášení počtu desek. Jeho volitelné delší hledání vyměňuje determinismus za časově omezené pátrání po hustším rozložení a nikdy nevrátí víc desek než standardní jádro.

Které obory nesting používají?

Nesting má význam všude, kde jsou díly nepravidelné a materiál drahý. Ty nejběžnější:

• Laserové řezání — plech, akrylát, dřevo a další; laser sleduje libovolný obrys, takže nesting je zde standard.
• Plazmové řezání — silnější ocelové plotny pro konstrukční a strojní díly.
• Řezání vodním paprskem — kámen, sklo, kov a kompozity, kde paprsek řeže libovolný tvar za studena.
• Zpracování plechu — úhelníky, kryty a díly rámů vysekávané nebo řezané ze svitku a plechu.
• Textil a oděvy — střihové díly vnořené na roli látky, kde procentní bod výtěžnosti znamená velké náklady.
• Kožené zboží — kůže jsou nepravidelné a mají vady, kterým je třeba se vyhnout, takže nesting s vyloučenými zónami je nezbytný.
• Těsnění a ucpávky — kroužky a tvarované profily vysekávané nebo řezané vodním paprskem z pryžových a kompozitních desek.
• Sklo — tvarované tabule pro nábytek, spotřebiče a architekturu.
• Výroba reklamy — vyřezávaná písmena a tvary z akrylátu, hliníkového kompozitu a fólie.
• Obaly a výsek — tvary kartonů a etiket vnořené na lepence a fólii.

Pokud naopak řežete desky, plotny nebo tyče na míru, jde o obdélníkovou zakázku — problém dělení materiálu, který nejlépe vyřeší guillotinové rozložení, a můžete si ho vyzkoušet v kalkulačce řezu desek.

Vyloučené zóny: řezání kolem vad

Skutečný materiál je málokdy dokonalý. Kůže má jizvy, ocelový plech má škrábanec nebo předtištěný roh, upínací přípravek potřebuje někde na stole svorku. Dobré jádro pro nesting vám umožní označit taková místa jako vyloučené zóny — oblasti, kam nesmí být umístěn žádný díl — takže je rozložení automaticky obchází. To prostý obdélníkový optimalizátor vyjádřit nedokáže a je to jeden z největších praktických důvodů, proč dílny sahají po nestingu podle skutečného tvaru.

Nesting s CutOptimem

CutOptim umí nesting podle skutečného tvaru na dvou místech. Ve webové aplikaci má optimalizátor vyhrazený režim Nesting: naimportujete obrysy svých dílů jako SVG nebo DXF, vnoříte nepravidelné mnohoúhelníky na desky, označíte vyloučené zóny pro vady nebo svorky a rozložení vyexportujete jako SVG, DXF, PDF nebo Excel — pro práci s laserem, plazmou a vodním paprskem. A přes CutOptim Engine API je totéž jádro dostupné přes HTTP pro vývojáře, ERP systémy a strojní software.

Díl se posílá jako mnohoúhelník (s volitelnými vnitřními otvory), desky materiálu mohou nést vyloučené zóny a odpověď dá každému umístěnému dílu jeho polohu a natočení. Standardní jádro je deterministické — stejný požadavek vždy vrátí stejné rozložení, takže ho můžete uložit do mezipaměti, auditovat a reprodukovat loňskou zakázku. Formáty, oba enginy, ceny a ukázky kódu najdete na stránce API pro nesting. Úplný tvar požadavku a odpovědi najdete v referenci API.

Pro dílenskou praxi bere nesting v úvahu i nastavení, která mění cenu zakázky. Mezera mezi díly a odstup od okraje desky se nastavují odděleně, například 5 mm mezi díly a 10 mm u upínaného okraje. Můžete nabídnout několik velikostí desek: nesting je porovná bez ohledu na pořadí, v jakém je uvedete, a umí je kombinovat, například plné desky plus menší poslední kus. Každý výsledek uvádí počet použitých desek podle velikosti, díly, které se nevešly, a délku řezu a počet propichů pro odhad strojního času. Přes API běží delší hledání jako úloha na pozadí pro hustší rozložení a nikdy nevrátí víc desek než standardní jádro. Jak z toho všeho udělat cenu, popisuje průvodce kalkulace dílů řezaných laserem.