Программное обеспечение для 3D-печати:достижение истинного цифрового производства

Возможности программного обеспечения для 3D-печати растут по мере того, как отрасль продолжает развиваться.

Исторически сложилось так, что сегмент программного обеспечения для 3D-печати имел тенденцию отставать от сегмента оборудования и материалов. Однако захватывающие события последних лет показывают, что этот сегмент быстро догоняет, позволяя компаниям быстрее создавать сложные конструкции, повышать показатели успешной печати, обеспечивать качество деталей и более эффективно управлять рабочими процессами.

Поскольку программное обеспечение является ключом к жизнеспособному производству с помощью 3D-печати, мы изучаем разработки, которые делают это возможным.

Взгляните на другие статьи из этой серии:

Как будет развиваться рынок оборудования для 3D-печати в 2021 году

Эволюция рынка материалов для 3D-печати:тенденции и возможности на будущее

Постобработка для промышленной 3D-печати:основные тенденции, о которых вы должны знать

Программное обеспечение для проектирования и САПР:создание инструментов для AM

До недавнего времени программное обеспечение автоматизированного проектирования (САПР) не было оптимизировано для требований проектирования 3D-печати.

Аддитивное производство (AM) предлагает преимущества большей сложности конструкции. Однако эти преимущества связаны с потребностью в другом подходе к проектированию, часто называемом «Дизайн для AM» (DfAM).

Проектирование для AM предлагает уникальные задачи и возможности, которых нет в традиционных методах проектирования. Это влечет за собой создание новых методов проектирования, направленных на сокращение материалов и изучение сложных конструктивных особенностей.

Следовательно, требуются соответствующие инструменты, позволяющие инженерам в полной мере использовать гибкость конструкции AM.

Медленно, но верно эти инструменты начали появляться на рынке. Наибольший толчок исходят от крупных компаний-разработчиков программного обеспечения, таких как Autodesk, Altair, Dassault Systems и PTC, которые развивают возможности проектирования AM в рамках своих решений САПР.

Например, Autodesk в рамках крупных инвестиций в технологию AM помогает подготовить дизайн для 3D-печати с помощью своего пакета Netfabb.

Netfabb позволяет инженерам импортировать, анализировать и восстанавливать модели из различных форматов САПР и определять области, требующие поддержки. Netfabb также можно использовать для полуавтоматического создания структур поддержки и изменения моделей, чтобы они были оптимизированы для производства.

DfAM также был признан следующим рубежом для платформы PTC Creo CAD. В новом выпуске Creo 6.0 предлагает встроенную поддержку специального геометрического моделирования, необходимого для создания функций облегчения, включая стохастическую пену, конформную решетку, решетки на основе формул и пользовательские решетки.

Кроме того, по словам компании, ориентация сборки и опорные конструкции для 3D-печати можно анализировать и оптимизировать в Creo 6.0, что позволяет сэкономить время как на производстве сборки, так и на обработке после печати. ​​

Программное обеспечение для расширенного дизайна

Несколько компаний также разрабатывают решения САПР специально для передового инжиниринга. Одним из примеров является nTopology, которая недавно выпустила платформу nTop Platform, разработанную для решения инженерных задач, в которых геометрия является узким местом.

Решение nTop, основанное на вычислениях, объединяет возможности САПР, моделирования и автоматизированного производства (CAM), чтобы помочь инженерным группам создавать сложные и оптимизированные геометрические формы.

Например, инженеры могут использовать nTop для уменьшения веса и увеличения производительности деталей. Они также могут применять несколько условий нагрузки и оптимизировать для различных критериев производительности, включая напряжение, смещение, жесткость и вес - процесс, известный как оптимизация топологии.

Также интересно то, что программа способна разрезать детали, что позволяет избежать подверженных ошибкам файлов STL и экспортировать производственные данные непосредственно на машины.

Еще одна компания, предлагающая программное обеспечение для 3D-печати, - Hexagon. Ранее в этом году она приобрела AMendate, немецкий поставщик программного обеспечения для оптимизации топологии AM. AMendate теперь добавлен в подразделение MSC Software компании Hexagon, что привело к запуску программного обеспечения MSC Apex Generative Design.

Новое решение по оптимизации дизайна повышает качество за счет автоматизации процессов проектирования в сочетании со встроенными производственными знаниями.

Утверждается, что программное обеспечение создает конструкцию детали, готовую для AM в течение нескольких часов - часть времени, которое обычно требуется. Это повышает производительность до 80% по сравнению с альтернативными решениями по оптимизации топологии.

«Несмотря на то, что ряд программных решений для создания дизайна существует и в настоящее время присутствует на рынке, их возможности ограничены. Например, они требуют очень много времени. В них также отсутствует полная автоматизация, а дизайн, который можно создать, недостаточно сложен для решения реальных бизнес-задач », - заявил Томас Рейхер, соучредитель AMendate, а ныне директор по генеративному дизайну в MSC.

Усовершенствованные инструменты проектирования, разработанные с учетом процессов AM, будут ключом к преодолению этих проблем и расширению возможностей инновационного использования 3D-печати.

Представляем альтернативы STL

Чтобы иметь возможность напечатать спроектированную модель на 3D-принтере, инженерам обычно необходимо преобразовать исходный файл САПР в формат STL.

STL в настоящее время является самым популярным форматом файлов для 3D-печати, который описывает трехмерный объект как серию связанных треугольников (многоугольников). Несмотря на свою популярность, формат файла имеет множество ограничений, которые становятся еще более очевидными при использовании 3D-печати для проектирования сложных производственных деталей.

Например, STL не будет считывать цвета, текстуры и другую дизайнерскую информацию вашего оригинального дизайна.

Более того, изменения, внесенные в файл STL, не будут автоматически отражаться в исходном файле проекта в САПР, что добавит уровень неэффективности процессу проектирования.

Наконец, при моделировании сложной геометрии или увеличении количества треугольников для улучшения разрешения существует риск резкого увеличения размера файла STL до такой степени, что он станет слишком большим для чтения на 3D-принтерах.

Чтобы преодолеть эти проблемы, отрасль работает над созданием альтернативных форматов файлов. Самым многообещающим пока является 3MF, разработанный консорциумом 3MF.

3MF позволяет 3D-принтерам считывать файлы проектов САПР с полной точностью, с цветами, текстурами и другими проектными данными, заданными первоначальным дизайнером. Он также предназначен для расширения и адаптации к новым технологиям 3D-печати. ​​

Программное обеспечение для моделирования:прогнозирование ошибок для повышения повторяемости

Программное обеспечение для моделирования остается основным направлением разработки программного обеспечения для 3D-печати. Основная причина этого - возможность сократить или даже исключить метод проб и ошибок, который в настоящее время используется для получения повторяемых результатов 3D-печати.

Моделирование обычно используется на этапе проектирования, чтобы в цифровом виде воспроизвести поведение материала в процессе печати. Это означает, что результаты моделирования могут дать представление о том, как можно оптимизировать конструкцию, чтобы предотвратить сбой сборки.

Сегодня большинство решений для моделирования ориентированы на 3D-печать металлом. Это связано с тем, что эта технология сопряжена с рядом сложных технических проблем. Существует множество переменных, которые могут повлиять на сборку в процессе печати, например, путь и интенсивность лазера, а также конструкция опорных конструкций.

Моделирование помогает анализировать сложные явления, возникающие в процессе 3D-печати металла, и использует данные моделирования для планирования сборки, выбора наиболее успешной ориентации деталей и стратегий поддержки.

В 2019 году существует множество решений для моделирования AM, от более крупных компаний, таких как ANSYS и Siemens, до небольших компаний-разработчиков программного обеспечения, предлагающих исключительно специализированные решения для AM, такие как Additive Works.

Компания по разработке программного обеспечения ANSYS является одним из примеров. С начала 2019 года компания выпустила три основных обновления, которые содержат множество новых функций.

Одно из самых ярких обновлений - это ANSYS Additive Prep. Этот инструмент является частью пакетов программного обеспечения ANSYS Additive Suite и ANSYS Additive Print.

Среди его функций - способность создавать тепловые карты, которые помогают инженерам предсказать, как ориентация сборки AM влияет на опорные конструкции, время сборки, искажения и общую производительность печати.

В последней версии R3 ANSYS Additive Prep также был улучшен новым процессором сборки, который позволяет пользователям экспортировать файл сборки непосредственно на машину AM, тем самым избавляя от необходимости использовать файл STL. Также есть инструмент для прогнозирования эффектов термообработки на горизонте до 2020 года.

Совсем недавно Altair запустил новое решение для моделирования производства для AM под названием Inspire Print3D.

Программное обеспечение, специально предназначенное для селективной лазерной плавки (SLM), обеспечивает быстрый и точный набор инструментов для проектирования и моделирования производственного процесса.

Ключевые функции программного обеспечения включают создание опорной структуры в той же среде, что и проектируемая деталь, расширенное термомеханическое моделирование для сокращения постобработки и избежания дорогостоящих ошибок, выявление больших деформаций, чрезмерного нагрева и расслоения, а также возможность проверки и создания готовых файлов. для 3D-печати. ​​

В области полимерной 3D-печати компания e-Xstream, которая была приобретена MSC Software Corporation в 2013 году, является одной из немногих компаний, специализирующихся на полимерных и композитных технологиях AM.

Компания разработала программное решение Digimat-AM для моделирования процессов FDM и SLS. Программа помогает предсказать проблемы печати, такие как коробление, и компенсировать искажения. Кроме того, последняя версия Digimat 2019.0 также предлагает моделирование моделей армированного волокном материала для систем материалов от DSM, Solvay Specialty Polymers и Stratasys Inc.

В качестве долгосрочной цели e-Xstream будет полагаться на свой опыт в моделировании материалов для решения проблемы печати из нескольких материалов.

Возможность правильно печатать детали на 3D-принтере с первого раза является одним из ключевых факторов, который будет способствовать более широкому внедрению этой технологии. В будущем мы, вероятно, увидим, как программное обеспечение для моделирования будет объединено с новыми возможностями мониторинга в процессе. Это позволит инженерам подтверждать ожидаемые смоделированные результаты с данными сборки в реальном времени, в конечном итоге достигая более высоких показателей успешности печати.

Системы управления аддитивным производством:управление рабочими процессами и отслеживание

За последние несколько лет 3D-печать начала переходить от процесса прототипирования и изготовления небольших партий к производству крупными партиями. Этот сдвиг выявил потребность в программном обеспечении, которое может помочь компаниям управлять растущими объемами производства и более эффективно масштабировать свои операции AM.

Это привело к появлению программного обеспечения Manufacturing Execution System (MES), разработанного специально для нужд индустрии AM.

Программное обеспечение MES помогает объединить точки рабочего процесса AM, будь то управление запросами, планирование производства или планирование постобработки. Общая цель MES - обеспечить контроль, необходимый для успешного производства AM, максимизируя коэффициент использования оборудования, внедряя большую автоматизацию и увеличивая прослеживаемость.

Ключевой тенденцией, способствующей росту сегмента программного обеспечения MES, является потребность в сквозной платформе, достаточно гибкой, чтобы ее можно было настроить в соответствии с индивидуальными требованиями отделов AM. В настоящее время такое решение предлагают лишь очень немногие компании.

Знакомство с подключением машин

Сетевое соединение машин и машинных данных также становится важным требованием, поскольку компании все больше переводят свои операции в цифровую форму. Программное обеспечение MES будет играть большую роль в обеспечении этого, поскольку оно позволяет подключать разные 3D-принтеры на одной платформе.

Например, AMFG предлагает возможность подключения машины к ряду систем AM, таких как EOS и HP. Это означает, что пользователи системы AM смогут управлять всеми операциями AM с помощью MES AMFG, одновременно напрямую подключаясь к своим машинам через программную платформу.

Соединение машин в рамках единой платформы обеспечит беспрепятственный поток данных, что обеспечит отслеживаемость и масштабируемость, необходимые для продвижения AM к индустриализации.

Программное обеспечение MES также постепенно интегрирует функции другого программного обеспечения. Например, некоторые решения предлагают возможность лечения файлов STL и подготовки моделей к печати.

Другой пример - интеграция функций управления обеспечением качества (QA). Платформа AMFG MES, например, позволяет пользователям импортировать документацию, будь то отчеты, таблицы данных или 3D-изображения, и сравнивать их с физической частью, напечатанной на 3D-принтере, тем самым обеспечивая выполнение требований по обеспечению качества.

Как и программное обеспечение для проектирования, платформы MES поддаются объединению с решениями искусственного интеллекта (AI).

Рабочие процессы 3D-печати очень загружены данными, а это означает, что существует много информации о статусах заказов, данных о машинах и материалах, которые можно (и нужно) не только отслеживать и собирать, но также анализировать и принимать соответствующие меры.

Интеграция алгоритмов искусственного интеллекта позволяет программному обеспечению анализировать собранные данные и предлагать варианты улучшения производственных операций. В конечном счете, это может обеспечить лучшую видимость основных узких мест и способов оптимизации процесса для достижения большей производительности.

Программное обеспечение для обеспечения качества

Многие компании работают над квалификацией деталей, напечатанных на 3D-принтере, для использования в производстве. В настоящее время два наиболее распространенных способа сертификации детали, отвечающей требованиям контроля качества, - разрушающее тестирование и компьютерная томография - дороги, отнимают много времени, расточительны и не всегда дают точные результаты.

Более эффективный способ помочь процессу обеспечения качества - это внутрипроцессный мониторинг. Как правило, производственный мониторинг включает комбинацию датчиков и камер, размещенных внутри 3D-принтера, с программным обеспечением, которое может анализировать данные, собранные датчиками, и предоставлять их значимым образом.

Одна компания, предлагающая такую ​​комбинацию, - это Sigma Labs. Его программный пакет под названием PrintRite3D® включает модули INSPECT, CONTOUR и ANALYTICS. Например, модуль INSPECT может измерять ванну расплава (лужу жидкого расплавленного металла, образовавшуюся, когда лазер нагревает порошок), чтобы обнаруживать и прогнозировать аномалии.

Программное обеспечение PrintRite3D от Sigma Lab - одно из немногих решений сторонних производителей. В большинстве случаев производители металлических 3D-принтеров самостоятельно разрабатывают программное обеспечение для контроля качества. Однако количество машин, интегрированных с программным обеспечением QA, по-прежнему удручающе мало.

Например, есть 3D-принтеры EOS, в которых есть инструмент EOSTATE MeltPool и 3D-принтер VELO3D Sapphire, который недавно был интегрирован с новым программным обеспечением Assure.

Обеспечение качества становится новым девизом в мире AM, поскольку компании хотят ускорить проверку деталей и, в конечном итоге, уменьшить вариации в процессе печати. Это означает, что должно появиться больше программных решений QA - и эта тенденция уже начинает медленно формироваться.

Программное обеспечение AM в центре внимания:быстроразвивающийся сегмент

По сравнению с аппаратным обеспечением, разработка программного обеспечения для AM исторически шла медленнее. Также было гораздо меньше компаний-разработчиков программного обеспечения AM, что повлияло на уровень инноваций в этом сегменте.

Однако за последние несколько лет ситуация резко изменилась, поскольку отрасль продолжает развиваться и на рынке появляются более совершенные решения. От САПР до моделирования и решений для рабочих процессов - программное обеспечение разрабатывается для более быстрого и простого внедрения AM в производство.

В будущем темпы этого прогресса, вероятно, будут ускоряться, что поможет AM стать настоящим цифровым производственным решением.