Все вместе с добавками

Как новое программное обеспечение CAD/CAM для программирования и моделирования может помочь в процессах аддитивного производства.

В сфере производства процессы аддитивного производства (аддитивного производства) по-прежнему остаются новинкой. Хотя аддитивы существуют уже несколько десятилетий, до недавнего времени они использовались в основном для создания прототипов и мелкосерийного производства. Однако с появлением новых процессов с добавками металлов возможности аддитивного производства значительно расширились. Он превратился из того, что считалось интригующей технологией, в более реалистичный производственный процесс, который теперь более широко используется крупными производителями, такими как GE и Lockheed, для изготовления металлических деталей AM для авиационных двигателей и других критически важных компонентов и узлов. По мере того как процессы АП становятся все более популярными, новое программное обеспечение для программирования CAD/CAM и соответствующие пакеты моделирования решают некоторые проблемы с послойными процессами аддитивных технологий, добавляя инструменты аддитивного рабочего процесса с генеративным проектированием и гораздо более обширными методами 3D-визуализации и оптимизации топологии. для производителей. Многие из этих новых пакетов программного обеспечения также призваны помочь производителям с новым классом гибридных аддитивных/вычитающих станков.

Делаем невозможное возможным

Одной из ключевых целей новых аддитивных решений является создание значительно улучшенных конструкций. Программирование CAD/CAM в аддитивных технологиях может упростить для инженеров-разработчиков проектирование деталей, производство которых ранее считалось невозможным. «Autodesk создал полный сквозной рабочий процесс для аддитивного производства, от оптимизации конструкции до подготовки сборки, моделирования и постобработки, помогая дизайнерам и инженерам перейти от прототипирования к серийному производству», — сказал Дуанн Скотт, специалист по развитию бизнеса и стратегии Additive. Производство и композиты, Autodesk Inc. (Сан-Рафаэль, Калифорния). «Теперь мы добавляем генеративный дизайн, чтобы позволить дизайнерам исследовать и реализовать весь потенциал [AM] способами, которые раньше были невозможны».

Скотт отметил, что новые возможности AM в серийном производстве являются ключевым событием. «По мере того, как отрасль развивается с новыми материалами и процессами, варианты использования будут расширяться от небольших, сложных и / или индивидуальных деталей до более крупных деталей по мере выхода на рынок более дешевых машин и материалов», — добавил он. «Мы наблюдаем резкое падение стоимости оборудования по мере истечения срока действия основных патентов, сначала в области полимеров, когда цены на машины FDM [моделирование методом наплавления] упали с 40 000 до 400 долларов, затем цены на машины SLA [стереолитографические аппараты] упали с аналогичной цены до 3000 долларов, и теперь машины SLS [селективного лазерного спекания] подешевели со 150 000 до 10 000 долларов. Сейчас мы наблюдаем новую волну аддитивных процессов обработки металлов. Если раньше установка одной машины стоила 1 миллион долларов, то теперь новые машины можно купить примерно за 100 000 долларов. Такое значительное сокращение инвестиций, необходимых для производства деталей, значительно расширит относительно небольшой в настоящее время рынок».

Скотт утверждает, что добавление возможностей генеративного проектирования в программное обеспечение для процессов АП даст разработчикам существенные преимущества. «Генеративный дизайн позволяет дизайнерам и инженерам искать решения, основанные на проектных ограничениях и производственных процессах, которые было бы невозможно представить или реализовать с помощью традиционного программного обеспечения САПР», — сказал он. «Больше, чем просто оптимизация топологии, которая берет существующую геометрию и уменьшает массу на основе решателей FEA [анализа конечных элементов] до единой оптимизированной конструкции, генеративное проектирование создает геометрические решения, основанные на нескольких целях и нескольких производственных процессах, для предоставления нескольких решений. Затем эти решения можно повторять для дальнейшего уточнения геометрии, которую затем можно изготовить как есть или использовать в качестве ориентира для информирования дизайнера о подходе к дизайну на основе предлагаемых решений».

В начале следующего года Autodesk выпустит следующую версию своего программного обеспечения для аддитивной/3D-печати Netfabb 2018, которое в настоящее время находится на стадии бета-тестирования, в котором будут добавлены новые функции, включая возможности генеративного проектирования. «Связь между традиционными субтрактивными процессами и аддитивным производством заключается в том, что оба требуют глубокого понимания конкретной машины и комбинации материалов для создания оптимального управления машиной в соответствии с требованиями инженера-конструктора», — сказал Скотт. «Кроме того, для большинства металлических аддитивных деталей крайне важно подвергать субтрактивную механическую обработку после печати, чтобы обеспечить качество поверхности и допуски на деталях, которые соприкасаются с другими деталями в сборке». Он добавил, что Autodesk предлагает полный рабочий процесс, позволяющий использовать один и тот же файл САПР как для аддитивной, так и для основной субтрактивной постобработки.

«Объединение отдельных процессов, таких как аддитивный и субтрактивный, в производственном процессе обычно включает несколько этапов, часто на разных машинах. Это должно быть точным и автоматизированным. Существует поток цифрового процесса, который начинается с проектирования и инженерного замысла и моделирует то, что должно происходить на каждом этапе процесса — вам нужно опираться на исходные данные», — заявил Скотт. «Вы также должны отслеживать прогресс в реальном мире, используя проверки и адаптивные циклы или циклы обратной связи, чтобы обнаруживать и компенсировать отклонения. Эти процессы тоже нужно стыковать».

Прошлой осенью компания Siemens PLM Software (Плано, Техас) объявила о своем решении «Аддитивное производство с помощью NX», а в начале этого года компания добавила платформу Siemens Part Manufacturing Platform, онлайн-сервис для совместной работы, предназначенный для поиска покупателей и продавцов аддитивных компонентов. В апреле разработчик программного обеспечения, принадлежащий Siemens AG (Мюнхен), также объявил о расширенном технологическом партнерстве с давним поставщиком программного обеспечения для аддитивной/3D-печати Materialize NV (Левен, Бельгия), в рамках которого будет полностью интегрировано программное обеспечение Materialize Magics 3D Print Suite AM. с программным обеспечением Siemens NX. Это сочетание объединяет опыт Materialise с основными преимуществами Siemens PLM NX в области CAD/CAM/CAE, включая обширные возможности проектирования с инструментами оптимизации на основе моделирования, отметил Аарон Франкель, старший директор по маркетингу, программному обеспечению для проектирования производства, Siemens PLM.

Аддитивная стратегия Siemens состоит из трех столпов, начиная с аддитивного производства с NX, которое включает предложения компании NX и Teamcenter PLM, отметил Андреас Саар, вице-президент Siemens PLM, группа проектирования производства. «Это то, что мы называем цифровой цепочкой и ядром, движущимся в будущее», — сказал Саар. По его словам, Siemens будет выпускать обновления программного обеспечения раз в три-шесть месяцев, а новые интерфейсы принтеров будут работать со многими поставщиками добавок, включая EOS, Stratasys, DMG Mori, HP и другие.

«Наша цель — вывести аддитивную технологию на промышленный уровень», — сказал Саар, интегрируя Materialize в крупную базу промышленных установок Siemens NX. Примером может служить GE, которая использует добавку для производства больших сопел для авиационных двигателей. «Была небольшая группа, может быть, 20–30 человек, среди инженеров-проектировщиков и инженеров-симуляторов, которая сделала это возможным, и там, вероятно, 4000 инженеров-конструкторов. Наша цель — значительно расширить это. У нас есть 10 000 дизайнерских мест в GM. Эти ребята должны переосмыслить аддитивное производство».

«То, что мы видим на рынке, это то, что средние и крупные компании создают рабочие группы по аддитивному производству, чтобы понять технологию», — сказал Франкель. «Существует большая кривая обучения. Компании подбирают различные разрозненные технологии, чтобы посмотреть, что будет работать, но эта специальная среда не масштабируется. Компаниям необходимо комплексное решение, и они должны иметь возможность управлять этими данными и обрабатывать их с помощью единого решения».

Расцвет гибридной аддитивной обработки

Многие новые CAD/CAM-решения для аддитивных технологий сосредоточены на программировании или моделировании новейших гибридных аддитивно-субтрактивных станков, в том числе разработки DMG Mori и Mazak. Поскольку компоненты аддитивного производства не имеют почти чистой формы и требуют умеренной или обширной обработки, гибридный подход является практичным подходом для многих пользователей станков. Гибридные машины, хотя и дорогие, в последнее время стали более доступными.

Стратегия Siemens направлена ​​на поддержку всех машин AM, особенно гибридных, от некоторых партнеров компании, таких как DMG Mori и Mazak. «Мы поддерживаем существующие решения, такие как прямое осаждение энергии, лазерная сварка и сварка в электростатическом слое», — сказал Франкель из Siemens PLM. По словам Саара, наиболее распространенной из этих технологий является слияние в порошковом слое, и Siemens поддерживает более новую технологию Multi-Jet Fusion от HP, в которой используются 2D-принтеры с соплами. Машина использует технологию 3D-вокселей, которая печатает только одним цветом, но сможет печатать несколькими цветами. «Будущее очень масштабируемо», — сказал Саар.

Гибридные станки привлекательны для многих разработчиков CAD/CAM, и Vero Software (Рединг, Великобритания) планирует выпустить модуль гибридной аддитивной обработки в будущем, возможно, в апреле следующего года, для своего Edgecam и другого программного обеспечения CAM, сказал Раф Лобато. директор по стратегическим продуктам. Он отметил, что прямое осаждение энергии, ремонт, расширение функций и оболочка — все это области, в которых основное внимание уделяется этому типу программного обеспечения. «Чтобы получить максимальную отдачу от добавки, она не может жить сама по себе; область «добавления» иногда необходимо подготовить с помощью вычитания, а затем, наконец, после добавления материала, обычно необходимо закончить с помощью вычитания», — заявил Лобато.

Он отметил, что необходимы дополнительные исследования для усовершенствования многих аддитивных процессов. «На самом деле они еще не знают, как эффективно добавлять материал», — сказал Лобато, описывая прямое осаждение энергии. «Когда вы добавляете какой-то материал к компоненту, он не получается идеальным». Осажденный материал не имеет формы, близкой к чистой, что требует субтрактивных процессов чистовой обработки для завершения деталей. «Отличная новость заключается в том, что тесты показывают, что добавочный материал, осажденный в этом процессе, в некоторых случаях тверже, чем основные материалы», — сказал Лобато, когда к этим металлическим компонентам добавляются почти 100% плотные металлы. /Р>

В одном примере при ремонте лопастей авиационных турбин требовалось вырезать из детали V-образный кусок материала, а не просто добавлять металл там, где была трещина на лопасти. «И снова вы можете видеть, где требуется вычитающая операция», — сказал Лобато, соглашаясь с тем, что иногда для завершения работы необходимы и вычитающий, и аддитивный процессы. «Это наше убеждение. Кроме того, это заняло бы чертовски много времени — добавление материала происходит не быстро».

По словам Лобато, совершенствование технологий, как программного, так и аппаратного, а также скорость, гибкость и, конечно же, стоимость имеют решающее значение для роста присадок. «Мы участвуем в проекте Kraken, http://krakenproject.eu/, который посвящен аддитивному производству крупных деталей с помощью робота с более высокой точностью, чем обычно».

Еще одна новинка поступила от разработчика CAD/CAM компании DP Technology Corp. (Камарильо, Калифорния), которая в августе объявила о выпуске пакета Esprit Additive Software для аддитивного производства металлов. Говорят, что программное обеспечение помогает упростить трудоемкий процесс аддитивного программирования до нескольких простых шагов.

«Современное программное обеспечение CAD/CAM должно обеспечивать мощное программирование для многозадачных, многофункциональных, многоканальных, токарно-фрезерных, аддитивных и субтрактивных станков, при этом аддитивные и субтрактивные процессы программируются, оптимизируются и моделируются вместе в едином удобном интерфейсе», — сказал он. Чак Мэтьюз, исполнительный вице-президент DP Technology. Ожидается, что новый модуль Esprit Additive будет доступен в середине 2018 года. DP Technology тесно сотрудничает с DMG Mori и Mazak, и модуль предложит аддитивное программирование для пользователей гибридных машин этих компаний.

В Creo 4.0 компания PTC (Нидхэм, Массачусетс) выпустила платформу аддитивного производства, которая включает в себя функциональные возможности для улучшения проектирования и оптимизации легких конструкций, определения новых подтипов сборки, которые могут хранить детали для печати, их положение, материалы, цвета и многое другое. , — отметил Хосе Коронадо, менеджер по продуктам приложений Creo Manufacturing and Simulation. Аддитивное решение также включает в себя функцию подключения, чтобы предоставить дизайнеру прямую обратную связь о возможностях 3D-принтеров, которые будут учитываться на этапе проектирования.

«Большой процент пользователей Creo заявили, что в настоящее время они реализуют или рассматривают возможность реализации пилотных проектов в области аддитивного производства», — сказал Коронадо. «Кроме того, многие принтеры для пластика, уже находящиеся у клиентов, переходят от работы с прототипами к изготовлению инструментов и приспособлений или непосредственно к производству конечных деталей. Одним из факторов такого сдвига является новая функциональность, доступная в Creo, позволяющая инженерам проектировать оптимизированные решетки и напрямую подключаться к пластиковым принтерам Stratasys и 3D Systems.

«Дорожная карта PTC для Creo включает в себя больше типов решеток, оптимизацию топологии, интегрированную в модель B-Rep [представление границ], поддержку процессов печати металлом и многое другое, не покидая Creo», — продолжил он. «Но нашим пользователям не нужно ждать; Текущие аддитивные и субтрактивные функции PTC сосуществуют, плавно интегрируясь с моделью САПР. Используя ту же 3D-модель, мы можем подготовить сборку лотка для печати одной или нескольких деталей. Затем, если требуется постобработка, такая как сверление, торцевое фрезерование или удаление заусенцев, та же 3D-модель используется для создания соответствующих траекторий ЧПУ».

По словам Даниэля Ременака, менеджера по продукции GibbsCAM 3D Systems, компания 3D Systems (Рок-Хилл, Южная Каролина), пионер в области аддитивных технологий, также предлагает свой опыт в области аддитивного и субтрактивного производства вместе с программным обеспечением 3DXpert Metal Additive Manufacturing, представленным в прошлом году. «3DXpert — это комплексное программное решение для аддитивного производства металлов с расширенными возможностями подготовки к печати, поддержки и оптимизации структуры, нарезки и даже постпечатных операций».

Хотя CNC Software, разработчик Mastercam, не выпустила специальный модуль для аддитивных программ, компания «оценивает, какие аддитивные подходы к программному обеспечению наиболее полезны для наших клиентов как сейчас, так и по мере того, как технология продолжает расширяться», — отметил Бен Мунд, старший аналитик рынка, CNC Software Inc. (Толланд, Коннектикут).

«Первоначальный вопрос отделки поверхности значительно улучшился, как и доступные материалы, при этом больше внимания уделяется высокотемпературным и конструкционным материалам, гибким материалам и композитам. По мере решения этих проблем процесс будет использоваться во все большем количестве мест», — сказал Мунд. «Более доступная металлическая печать также будет способствовать развитию отрасли. Мы видим, что это происходит сейчас с новыми типами более доступных металлов, наполненных подложкой.

«Есть также много мест, где аддитивные и вычитательные будут использоваться совместно», — сказал он. «Это может варьироваться от производства аддитивных приспособлений для субтрактивной обработки до создания аддитивных деталей, которые необходимо подвергнуть чистовой обработке. И, конечно же, всегда будут детали, которые невозможно изготовить с помощью вычитания, где единственным выбором будет аддитивное производство».

Компания Open Mind Technologies USA Inc. (Нидхэм, Массачусетс), разработчик программного обеспечения CAD/CAM для HyperMill, имеет возможность поддерживать процессы аддитивного производства с помощью специального модуля, который является опцией в HyperMill, отметил Алан Левин, управляющий директор. По словам Левин, Open Mind занимается аддитивной обработкой почти 10 лет. «Наша цель — программная поддержка процессов лазерного осаждения металлов. Эти усилия согласуются с нашей передовой пятиосевой направленностью и учитывают отзывы наших клиентов. Сегодня мы работаем с машинными партнерами и ключевыми конечными пользователями над проектами, а также над внедрением и подтверждением новых технологий. Наши процессы согласованы с текущими разработками в hyperMill, нашем пакете для субтрактивной обработки, поэтому эта работа оптимизирована и может быть выполнена элегантно в рамках нашего текущего подхода».

Хотя сегодня машины с аддитивным порошковым покрытием могут составлять более крупный сегмент рынка, Open Mind уделяет основное внимание лазерному напылению применительно к созданию новых деталей (часто с помощью пятиосевых машин), а также техническому обслуживанию и ремонту пресс-форм, штампов и энергии. к Левину. «Процессы лазерного напыления, как правило, не требуют внутрипроизводственных структур для поддержки выступов, которые впоследствии необходимо удалить», — сказал Левин. «Кроме того, лазерное напыление хорошо подходит для гибридной обработки».

Около года назад компания Open Mind добавила новую поддержку моделирования для добавок от своего партнера и разработчика модулей компонентов MachineWorks (Шеффилд, Великобритания). «Разработка нашего программного обеспечения для аддитивных процессов основана на нашем опыте и сотрудничестве с ключевыми пользователями и партнерами по оборудованию. Различные детали, производимые сегодня, приводят к усовершенствованию программного обеспечения и рабочего процесса. Фундаментальные требования к аддитивной обработке — в отношении заполнения и ограничения контуров, управления начальными точками и запусками лазера — уже реализованы в программном обеспечении», — сказал Левин. «Процедуры проверки столкновений также требуют особого внимания, поскольку модель заготовки постоянно растет, а также для напыляющих головок требуются определенные фокусные расстояния для правильного напыления порошка».

Моделирование ЧПУ и аддитивных процессов

Как и в любом производственном процессе, точное моделирование движения при резке и формовке металла имеет решающее значение для обеспечения качества и безопасности изготовления инструментов, приспособлений и станков. До недавнего времени программных решений для моделирования было недостаточно для адекватной визуализации процессов АП.

На выставке Rapid/TCT в Питтсбурге новейшее программное обеспечение Vericut версии 8.1 для моделирования, проверки и оптимизации ЧПУ представило новые возможности для моделирования аддитивных и гибридных производственных операций, а также для непрерывной правки во время шлифования, сказал Джин Граната, менеджер по продукции Vericut в CGTech. (Ирвин, Калифорния). «Эти новые методы можно использовать в любом порядке, с любым традиционным методом резания [таким как фрезерование, токарная обработка и пятиосевая обработка] и практически на станках с ЧПУ любой марки. В новом программном обеспечении также есть улучшения для разделения заготовки, инструмент измерения X-Caliper, оптимизация траектории Force и настройка отчетов для автоматического документирования производственного процесса.

«Привлекательность аддитивного производства ставит перед дизайнерами и программистами станков с ЧПУ множество уникальных задач, — продолжил он. «Люди переучивают себя, чтобы мыслить, проектировать и программировать детали по-другому, чтобы максимально эффективно создавать превосходный продукт. Программное обеспечение для моделирования, такое как Vericut, является бесценным инструментом для программистов ЧПУ, позволяющим визуализировать и проверять каждый процесс в используемом порядке, сравнивать производственные стратегии и предотвращать дорогостоящие сбои или повреждения машин, инструментов и деталей». Он добавил, что гибридные машины, как правило, дороги, и обычно их количество в данной компании ограничено. Также может быть трудно найти запасные части или техников для лазерного и другого аддитивного оборудования. «Программное обеспечение для моделирования предлагает экономически эффективную защиту для устранения потенциальных проблем до их возникновения».

Поиск новых способов программирования деталей, изготовленных с помощью аддитивных процессов, представляет собой новую задачу для программистов ЧПУ. «Возможность использования аддитивных, субтрактивных или гибридных методов часто заставляет программистов думать за пределами своей прежней «зоны комфорта» и делать то, что раньше считалось невозможным», — отмечает Граната. «Новый дизайн для аддитивного производства [DFAM] и возможности аддитивного программирования ЧПУ появляются в каждом новом выпуске CAD/CAM. Хотя эти усовершенствования предназначены для того, чтобы предоставить аддитивным программистам ЧПУ больше возможностей, они также увеличивают кривую обучения. Умственно отследить, где материал был размещен, а где нет, сложно».

По словам Гранаты, включение добавок в любой производственный процесс создает множество проблем. «Ошибка в планировании и последовательности операций ЧПУ может привести к повреждению компонентов станка, аддитивного оборудования или детали. Моделирование устраняет догадки и минимизирует риск, показывая, как будут изготавливаться детали, и точное представление детали на протяжении всего процесса». Модуль Vericut Additive моделирует возможности как аддитивной, так и традиционной обработки, используемые в любом порядке на гибридных станках. «Моделирование всех операций может выявить потенциальные проблемы, которые могут возникнуть при интеграции аддитивных методов. Пользователь может получить доступ к подробной «истории», хранящейся с помощью технологии реалистичных капель Vericut, что экономит время программистов, определяя, когда элементы детали были обработаны, и источник ошибок, в большинстве случаев, используя всего один щелчок мыши».

Эта аддитивная возможность проверяет точность лазерной наплавки и напыления материала, обнаруживает столкновения между машиной и аддитивной деталью, а также находит ошибки, пустоты и неуместный материал, отметил Граната. «Для максимальной точности Vericut имитирует тот же код ЧПУ с постобработкой, который будет использоваться для управления станком с ЧПУ, и обеспечивает правильное использование функций AM и параметров лазера. Пользователи могут виртуально экспериментировать, комбинируя аддитивные процессы и процессы удаления металла в любом порядке, чтобы определить оптимальные безопасные методы гибридного производства».