Максимизация производства с передовым ПО для аддитивного производства

Как новые CAD/CAM программирование и симуляция ПО могут помочь решить процессы аддитивного производства.

В сфере производства процессы аддитивного производства (AM) все еще новичок на блоке. Хотя аддитивное существует уже несколько десятилетий, до относительно недавно оно было отнесено в основном к прототипированию и краткосрочному производству. С новыми металлическими аддитивными процессами, однако, потенциал AM драматически расширился. Он простянулся от того, что считалось интригующей технологией, к более реалистичному производственному процессу, который теперь более широко используется крупными производителями вроде GE и Lockheed для изготовления металлических AM-деталей для авиационных двигателей и других миссионно-критических компонентов и сборок. По мере того как AM-процессы стали популярнее, новые CAD/CAM программные пакеты и связанные пакеты симуляции адресуют некоторые проблемы со слой-за-слоем процессами аддитивного, добавляя инструменты аддитивного рабочего процесса с генеративным дизайном и гораздо более обширными техниками 3D-визуализации и топологической оптимизации для производителей. Многие из этих новых программных пакетов также направлены на помощь производителям с новым классом гибридных аддитивных/вычитающих станков.

Делаем невозможное возможным

Одной из ключевых целей для новых аддитивных решений — генерация значительно улучшенных дизайнов. CAD/CAM программирование в аддитивном может сделать легче для инженеров разработки продукта проектировать детали, которые ранее считались невозможными для производства. «Autodesk построил полный сквозной рабочий процесс для аддитивного производства, от оптимизации дизайна до подготовки сборки, симуляции и пост-производства, помогая дизайнерам и инженерам переходить от прототипирования к серийному производству», — сказал Дуанн Скотт, бизнес-развитие и стратегия, Аддитивное производство и Композиты, Autodesk Inc. (Сан-Рафаэль, штат Калифорния). «Мы сейчас добавляем Генеративный дизайн, чтобы позволить дизайнерам исследовать и реализовать полный потенциал [AM] способами, которые были невозможны раньше».

Новая способность AM в серийном производстве — ключевое развитие, отметил Скотт. «По мере того как отрасль эволюционирует с новыми материалами и процессами, так случаи использования расширятся от малых, сложных и/или кастомизированных деталей к более крупным деталям по мере входа на рынок более дешевых станков и материалов», — добавил он. «Мы видели драматичное снижение стоимости оборудования по мере истечения ключевых патентов, сначала в полимерном пространстве с FDM [плавное депонирование] станками, падающими от $40 000 до $400, затем SLA [стереолитография] станками, падающими от похожих цен до $3000, и теперь SLS [селективное лазерное спекание] станками, падающими от $150 000 до $10 000. Мы сейчас видим новую волну аддитивных металлических процессов. Где раньше стоило $1 млн настроить один станок, новые станки теперь можно купить за около $100 000. Это массовое снижение инвестиций, необходимых для производства деталей, драматически расширит то, что в настоящее время относительно небольшой рынок».

Добавление возможностей генеративного дизайна в ПО для AM-процессов даст дизайнерам существенные преимущества, утверждал Скотт. «Генеративный дизайн позволяет дизайнерам и инженерам исследовать решения на основе ограничений дизайна и производственных процессов, которые были невозможны для замысления или исполнения с традиционным CAD ПО», — сказал он. «Больше, чем просто топологическая оптимизация, которая берет существующую геометрию и уменьшает массу на основе решателей КЭА [конечный элементный анализ] к единственному оптимизированному дизайну, генеративный дизайн создает геометрические решения на основе множественных целей и множественных производственных процессов для предоставления множественных решений. Эти решения затем могут быть итерированы для дальнейшего уточнения геометрии, которая затем может быть изготовлена как есть, или использована как руководство, чтобы информировать подход дизайнера к дизайну, основанный на предоставленных решениях».

В начале следующего года Autodesk выпустит следующую версию своего ПО Netfabb 2018 для аддитивного/3D-печати, в настоящее время в бета-тестировании, которое добавит новые функции, включая возможности генеративного дизайна. «Связь между традиционными вычитающими процессами и аддитивным производством в том, что оба требуют глубокого понимания конкретной комбинации станка и материала для создания оптимального управления станком для удовлетворения требований инженера-дизайнера», — сказал Скотт. «Также критично для большинства металлических AM-деталей быть вычитающе обработанными после печати для обеспечения качества поверхности и допусков на деталях, взаимодействующих с другими деталями в сборке». Autodesk предлагает полный рабочий процесс, добавил он, для использования того же CAD-файла для аддитивного и необходимого вычитающего пост-процесса.

«Комбинирование отдельных процессов вроде аддитивного и вычитающего в производственном рабочем процессе обычно включает множественные шаги, часто на разных станках. Это должно быть точно и автоматизировано. Есть цифровая нить процесса, которая начинается с дизайна и инженерного замысла и симулирует, что должно произойти на каждом шаге процесса — вам нужно строить на оригинальных данных», — заявил Скотт. «Вы также должны мониторить прогресс в реальном мире, используя инспекцию и адаптивные или обратные петли для обнаружения и компенсации вариаций. Эти процессы также должны быть соединены».

Прошлой осенью Siemens PLM Software (Плано, штат Техас) анонсировало свое решение «Additive Manufacturing with NX», а в начале этого года компания добавила Siemens Part Manufacturing Platform, онлайн-коллаборативный сервис, направленный на сопоставление покупателей и продавцов аддитивных компонентов. В апреле разработчик ПО, принадлежащий Siemens AG (Мюнхен), также анонсировал обширное технологическое партнерство с давним провайдером ПО для аддитивного/3D-печати Materialise NV (Левен, Бельгия), по которому Materialise Magics 3D Print Suite AM ПО будет полностью интегрировано с NX ПО Siemens. Комбинация привносит экспертизу Materialise с ядром NX Siemens PLM CAD/CAM/CAE, включая обширные возможности дизайна с инструментами оптимизации на основе симуляции, отметил Аарон Франкел, старший директор, маркетинг, производственная инженерия ПО, Siemens PLM.

Аддитивная стратегия Siemens включает три столпа, начиная с Additive Manufacturing with NX, который включает предложения NX и Teamcenter PLM компании, отметил Андреас Саар, вице-президент Siemens PLM, Группа производственной инженерии. «Это то, что мы называем цифровой цепочкой и ядром, движущимся в будущее», — сказал Саар. Siemens будет выпускать обновления ПО каждые три-шесть месяцев, с новыми интерфейсами принтеров, работающими с многими аддитивными игроками, включая EOS, Stratasys, DMG Mori, HP и другие, сказал он.

«Наш намерение — привести аддитивное в промышленную фазу», — сказал Саар, интегрируя Materialise в большую установленную базу NX Siemens. Пример — GE, которая использует аддитивное для производства больших сопел для авиационных двигателей. «Там была небольшая группа, может быть 20-30 человек, между дизайнерами и инженерами симуляции, которые сделали это возможным, и, вероятно, 4000 инженеров-дизайнеров там. Наша цель — значительно расширить это. У нас 10 000 дизайнерских мест в GM. Эти ребята должны переосмыслить аддитивное производство».

«Что мы видим на рынке — средние и крупные компании создают рабочие группы аддитивного производства для понимания технологии», — сказал Франкел. «Есть большая кривая обучения. Компании подбирают разрозненные технологии, чтобы увидеть, что сработает, но та ад-хок среда не будет масштабироваться. Компании должны иметь сквозное решение и уметь управлять этими данными и процессом с единым решением».

Подъем гибридной аддитивной обработки

Многие новые CAD/CAM решения для аддитивного фокусируются на программировании или симуляции последней волны гибридных аддитивных/вычитающих станков, включая вступления от DMG Mori и Mazak. Поскольку AM-компоненты не близки к нет-шейп и требуют умеренной до обширной доводки, гибрид — практический подход для многих пользователей станков. Гибридные станки, хотя и дорогие, недавно стали более доступными.

Стратегия Siemens нацелена на поддержку всех AM-станков, особенно гибридных блоков от некоторых партнеров компании, таких как DMG Mori и Mazak. «Мы поддерживаем существующие решения, такие как прямое энергетическое депонирование, лазерная сварка луча и порошковое плавление в ложе», — сказал Франкел Siemens PLM. Из этих технологий Саар сказал, что наиболее распространенным является порошковое плавление в ложе, и Siemens поддерживает более новый Multi-Jet Fusion от HP, который использует 2D-принтеры с насадками. Станок имеет 3D воксельную технологию, которая печатает всего в одном цвете, но сможет печатать в множественных цветах. «Будущее очень масштабируемо», — сказал Саар.

Гибридные станки привлекательны для многих CAD/CAM разработчиков, и Vero Software (Ридинг, Великобритания) планирует выпустить модуль гибридной аддитивной обработки в будущем, возможно около апреля следующего года, для своего Edgecam и другого CAM ПО, сказал Раф Лобато, директор стратегических продуктов. Прямое энергетическое депонирование, ремонт, выращивание особенностей и наплавка — все области фокуса для этого типа ПО, отметил он. «Чтобы извлечь максимум из аддитивного, оно не может действительно жить само по себе; область «добавления» изредка должна быть подготовлена вычитающе, а затем, после добавления материала, обычно должна быть доводена вычитающе», — заявил Лобато.

Нужно больше исследований для уточнения многих аддитивных процессов, отметил он. «На самом деле они не знают, как эффективно добавлять материал еще», — сказал Лобато, описывая прямое энергетическое депонирование. «Когда вы добавляете некоторый материал к компоненту, он не выходит идеальным». Депонированный материал не близок к нет-шейп, требуя вычитающих доводочных процессов для завершения деталей. «Хорошая новость в том, что тесты показывают, что аддитивный материал, депонированный в этом процессе, тверже базовых материалов в некоторых случаях», с близкими к 100% плотными металлами, добавленными к этим металлическим компонентам в таких операциях наплавки, сказал Лобато.

В одном примере ремонт лопаток турбины самолетов требовал вырезание V-образного куска материала из детали вместо простого добавления металла там, где была трещина на лопатке. «Там снова видно, где требуется вычитающая операция», — сказал Лобато, соглашаясь, что иногда вычитающие и аддитивные процессы оба нужны для завершения работы. «Это наше убеждение. Также это заняло бы чертовски долгое время — добавление материала не быстро».

Улучшения в технологии, как ПО, так и оборудование, плюс скорость, гибкость и, конечно, стоимость, критичны для роста аддитивного, сказал Лобато. «Мы участвуем в проекте Kraken, https://krakenproject.eu/, который о аддитивном производстве на крупных деталях роботом с более высокой точностью, чем традиционно доступно».

Другой новый вход приходит от CAD/CAM разработчика DP Technology Corp. (Камарильо, штат Калифорния), который в августе анонсировал свой набор Esprit Additive Software для металлического аддитивного производства. ПО говорит, помогает упростить трудоемкий аддитивный процесс программирования всего в несколько простых шагов.

«Современное CAD/CAM ПО должно обеспечивать мощное программирование для многофункциональных, многофункциональных, многоканальных, токарно-фрезерных, аддитивных и вычитающих станков с ЧПУ, с аддитивными и вычитающими процессами, программируемыми, оптимизируемыми и симулируемыми вместе в едином удобном интерфейсе», — сказал Чак Мэтьюз, исполнительный вице-президент, DP Technology. Новый модуль Esprit Additive ожидается доступным в середине 2018 года. DP Technology имеет сильные партнерства с DMG Mori и Mazak и модуль предложит аддитивное программирование для пользователей гибридных станков этих компаний.

В Creo 4.0 PTC (Нидхэм, штат Массачусетс) выпустила платформу Аддитивного производства, включающую функциональность для лучшего проектирования и оптимизации легких структур, определения новых подтипов сборок, которые могут хранить детали для печати, их позицию, материалы, цвета и многое другое, отметил Хосе Коронадо, менеджер продукта приложений Creo Manufacturing и Simulation. Аддитивное решение также включает функцию связности для предоставления прямой обратной связи дизайнеру о возможностях 3D-принтеров, которые будут учитываться в фазе дизайна.

«Высокий процент пользователей Creo сказал, что они в настоящее время внедряют или рассматривают внедрение пилотных проектов в аддитивном производстве», — сказал Коронадо. «Также многие пластиковые принтеры уже на объектах клиентов смещаются от прототипирования к изготовлению оснастки и приспособлений или напрямую к производству конечных деталей. Одним из факторов этого 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 больше типов решеток, топологическую оптимизацию, интегрированную в B-Rep [Граничное представление] модель, поддержку металлических процессов печати и многое другое, всё без выхода из Creo», — продолжил он. «Но нашим пользователям не нужно ждать; текущие аддитивные и вычитающие функциональности Creo сосуществуют, бесшовно интегрированные с CAD-моделью. Используя ту же 3D-модель, мы можем подготовить сборку подноса для печати одной или множества деталей. Затем, если пост-обработка вроде сверления, фрезерования торца или удаления заусенцев нужна, та же 3D-модель используется для создания соответствующих NC-траекторий инструмента».

Ранний пионер в аддитивном, 3D Systems (Рок-Хилл, штат Южная Каролина) также предлагает свою экспертизу в аддитивном и вычитающем производстве вместе со своим ПО 3DXpert Metal Additive Manufacturing, представленным в прошлом году, согласно Даниэлю Ременаку, менеджеру продукта, GibbsCAM 3D Systems. «3DXpert — это все-в-одном решение для металлического аддитивного производства с передовыми возможностями в подготовке печати, поддержках и оптимизации структур, нарезке и даже пост-печатных операциях».

Хотя CNC Software, разработчик Mastercam, не выпустил аддитивный модуль, компания «оценивает, какие подходы аддитивного ПО наиболее полезны для наших клиентов как сейчас, так и по мере продолжения расширения технологии», — отметил Бен Мунд, старший рыночный аналитик, CNC Software Inc. (Толланд, штат Коннектикут).

«Первоначальная проблема качества поверхности видела драматическое улучшение, как и доступные материалы, с большей разработкой в высокотемпературные и структурные материалы, гибкие материалы и композиты. По мере улучшения этих проблем процесс будет использоваться в все больших местах», — сказал Мунд. «Более доступная металлическая печать также двинет отрасль вперед. Мы видим это сейчас с новыми типами более доступных металлов с напылением субстрата».

«Есть также много мест, где аддитивное и вычитающее будут использоваться в концерте», — сказал он. «Это может варьироваться от производства аддитивных приспособлений для вычитающей обработки до создания аддитивных деталей, которые нужно доводить механически. И, конечно, всегда будут детали, невозможные для производства через вычитающее, где аддитивное — единственный выбор».

В Open Mind Technologies USA Inc. (Нидхэм, штат Массачусетс), разработчике CAD/CAM ПО hyperMill, у компании есть способность поддерживать AM-процессы с использованием аддитивного модуля, который является опцией внутри hyperMill, отметил Алан Левин, управляющий директор. Open Mind вовлечен в аддитивную обработку почти 10 лет, добавил Левин. «Наш фокус — программная поддержка для лазерных процессов металлического депонирования. Это усилие согласуется с нашим фокусом на передовых пяти осях и включает обратную связь от нашей клиентской базы. Сегодня мы работаем с партнерами-производителями станков и ключевыми конечными пользователями над проектами и для внедрения и подтверждения новой технологии. Наши процессы выровнены с текущими разработками в hyperMill, нашем пакете для вычитающей обработки, поэтому эта работа оптимизирована и может быть сделана элегантно в нашем текущем подходе».

Хотя аддитивные порошковые станки могут составлять больший сегмент рынка сегодня, фокус Open Mind на лазерном депонировании, применяемом к построению новых деталей (часто с пятиосевыми станками) и обслуживанию и ремонту в прессовочно-штамповочном и энергетическом, согласно Левину. «Лазерные процессы депонирования обычно не требуют внутрипроцессных структур для поддержки вывисов, которые позже должны быть удалены», — сказал Левин. «Также лазерное депонирование хорошо подходит для гибридной обработки».

Примерно год назад Open Mind добавил новую поддержку симуляции для аддитивного от своего партнера и разработчика компонентных модулей MachineWorks (Шеффилд, Великобритания). «Наша разработка ПО для аддитивных процессов основана на нашем опыте и сотрудничестве с ключевыми пользователями и партнерами-производителями станков. Различные детали, делаемые сегодня, ведут к уточнениям ПО и процесса рабочего процесса. Фундаментальные требования для аддитивной обработки — касательно заполняющих и ограничивающих путей, управления стартовыми точками и триггеров лазера — уже были реализованы в ПО», — сказал Левин. «Процедуры проверки коллизий также нуждаются в тщательном внимании, поскольку модель детали постоянно растет, а депонирующие головки требуют специфических фокусных расстояний для правильного порошкового депонирования».

Симуляция NC и аддитивных процессов

Как и в любом производственном процессе, точная симуляция движения металлорежения и металлоформовки критична для обеспечения производственного качества и безопасности оснастки, закрепления и станка. До недавнего времени решения ПО для симуляции были редки для адекватной визуализации AM-процессов.

На шоу Rapid/TCT в Питтсбурге последняя версия Vericut 8.1 NC симуляции, верификации и оптимизации представила новые возможности для симуляции аддитивных и гибридных производственных операций, а также для непрерывного обточки при шлифовании, сказал Джин Гранта, менеджер продукта Vericut в CGTech (Ирвин, штат Калифорния). «Эти новые методы могут использоваться в любом порядке, с любым традиционным методом резания [таким как фрезерование, токарная обработка и пятиосевая обработка] и практически на любом бренде станка с ЧПУ. Новое ПО также имеет улучшения для сечения детали, инструмента измерения X-Caliper, оптимизации траектории инструмента Force и настройки отчетов для автоматического документирования производственного процесса».

«Притяжение аддитивного производства приносит с собой много уникальных вызовов для дизайнеров и NC-программистов», — продолжил он. «Люди переобучаются мыслить, проектировать и программировать детали иначе, чтобы сделать превосходный продукт максимально эффективно. Симуляционное ПО, такое как Vericut, неоценимый инструмент для NC-программистов для визуализации и верификации каждого процесса в используемом порядке, сравнения производственных стратегий и предотвращения дорогостоящих аварий или повреждений станков, оснастки и деталей, изготавливаемых в процессе». Гибридные станки обычно дороги и обычно в ограниченном количестве в данной компании, добавил он. Запчасти или техники для лазера и другого аддитивного оборудования также могут быть трудными для нахождения. «Симуляционное ПО предлагает стоимостно-эффективную защиту для смягчения потенциальных проблем до их возникновения».

Поиск новых способов программирования деталей, производимых через аддитивные процессы, представляет новый вызов для NC-программистов. «Наличие опций использовать аддитивное, вычитающее или гибридные методы часто толкает программистов думать за пределами их предыдущей «зоны комфорта», чтобы делать вещи, не думавшиеся возможными ранее», — отметил Гранта. «Новые возможности Design for Additive Manufacturing [DFAM] и аддитивного NC-программирования кажутся прибывающими в каждом новом CAD/CAM релизе. Хотя эти улучшения предназначены для предоставления аддитивным NC-программистам больше опций, это также увеличивает кривую обучения. Ментальное отслеживание того, где материал был депонирован, а где нет — сложно».

Включение аддитивного в любой производственный процесс создает множественные вопросы, сказал Гранта. «Ошибка в планировании и последовательности NC-операций может повредить компоненты станка, аддитивное оборудование или деталь. Симуляция убирает гадание и минимизирует риск, показывая, как детали будут сделаны и точное представление детали на протяжении всего процесса». Аддитивный модуль Vericut симулирует как аддитивные, так и традиционные возможности обработки, используемые в любом порядке на гибридных станках. «Симуляция всех операций может выявить потенциальные проблемы, которые могут возникнуть при интеграции аддитивных методов. Пользователь может получить доступ к детальной «истории», сохраненной с реалистичной капельной технологией Vericut, экономя время программистов, идентифицируя, когда особенности детали были обработаны и источник ошибок, в большинстве случаев, используя всего один клик мыши».

Эта аддитивная возможность проверяет точное лазерное наплавку и депонирование материала, обнаруживает коллизии между станком и аддитивной деталью, и находит ошибки, пустоты и неправильно размещенный материал, отметил Гранта. «Для высшей точности Vericut симулирует тот же пост-обработанный NC-код, который будет использоваться для управления станком с ЧПУ и обеспечивает правильное использование AM-функций и лазерных параметров. Пользователи могут виртуально экспериментировать с комбинированием аддитивных и металлоудаляющих процессов в любом порядке для определения оптимальных безопасных гибридных производственных методов».