Ускорение качества: передовой CAD/CAM для производства отличных деталей

Вечный вопрос в производстве с CAD/CAM ПО — как помочь изготовителям делать детали быстрее, дешевле и лучше — всё время. С последними релизами CAD/CAM разработчики продолжают совершенствовать свои предложения, добавляя новые возможности: генеративный дизайн, больше автоматизации частых цеховых процессов, а также инструменты для растущей области аддитивного производства.

Кроме того, симуляции стали гораздо более критичными: высокосложные многоосевые станки требуют точного расчета элементов режущего инструмента, чтобы избежать катастрофических столкновений при обработке, что делает встроенные возможности визуализации в CAD/CAM крайне желательными.

Среди последних трендов генеративный дизайн и аддитивное производство быстро выходят на первый план. «Мы продолжаем видеть больше применений аддитивного производства, новые возможности работы с материалами, повышение мощности и производительности оборудования», — отмечает Пол Браун, старший директор маркетинга продуктов NX, Siemens Digital Industries Software (Плано, Техас). «Это, в свою очередь, повышает требования к CAD-технологиям, позволяя инженерам исследовать новые дизайны и использовать силу и гибкость новых производственных методов».

Компании по-прежнему стремятся оптимизировать циклы от проектирования до производства. Сохраняется интерес к таким областям, как дизайн для производства (DFM), проверки для повышения уверенности в способности изготовить и собрать спроектированное, отмечает Браун.

Генеративный подход

Генеративный дизайн помог производителям ускорить и уточнить процесс проектирования. Это означает проектирование деталей более эффективным образом и разработку деталей, которые легче производить.

«Под давлением доставлять лучшие продукты быстрее и дешевле, необходимость связать и автоматизировать процессы проектирования и производства для сокращения итераций, ошибок и сроков поставки становится критической», — отмечает Санджай Такоре, менеджер бизнес-стратегии Fusion 360 Go-to-Market, Autodesk Inc. (Сан-Рафаэль, Калифорния) — разработчика CAD/CAM ПО.

«Сочетание конвергенции отраслей и новых производственных технологий создает новые возможности автоматизации. Сложные задачи проектирования и инженерии можно решать за долю стоимости традиционных процессов с технологией генеративного дизайна, представленной в Autodesk Fusion 360», — говорит Такоре в интервью, опубликованном в сентябре в Manufacturing Engineering.

Генеративный дизайн — это инструмент исследования, который одновременно генерирует множество CAD-готовых решений на основе реальных производственных ограничений, требований к производительности продукта и стоимости. «Инженеры могут исследовать пространство дизайна, рассматривая множество материалов и производственных методов, и выбирать вариант, который лучше всего балансирует между производительностью и стоимостью», — говорит он.

Некоторые компании начинают использовать генеративные подходы для решения проектных задач, отмечает Браун из Siemens. «Это дает им больше возможностей исследовать альтернативные формы и материалы для решения проблемы. Вызов — как интегрировать это в традиционный процесс. С Convergent Modeling у нас есть технология, позволяющая использовать генеративные дизайны, полученные в результате симуляции и оптимизации, как базовую геометрию моделирования — комбинируя это с традиционными методами моделирования и производства», — говорит Браун.

Это дополнительно подталкивается использованием аддитивного производства, позволяющего формы и подходы, невозможные традиционными методами, такие как решетчатые структуры. Они резко снижают вес компонентов, сохраняя механические свойства жесткости и другие факторы.

«Наличие интегрированных возможностей CNC-программирования критично для производства готовых деталей, что позволяет промышленно масштабировать аддитивное производство», — говорит Браун. «Использование таких интегрированных технологий постепенно расширяется от первоначального прототипирования до массового производства — именно там фокус Siemens». Он говорит, что компания смотрит, как обеспечить AM в промышленном масштабе, от единицы до 1000 штук.

Генеративные техники проектирования создают высокоорганические формы, отмечает Алан Левин, управляющий директор Open Mind Technologies USA Inc. (Нидхем, Массачусетс), разработчика hyperMILL CAD/CAM. «Эти формы могут быть произведены традиционными фрезеровкой или аддитивными техниками. При использовании аддитивной техники фрезеровка часто применяется как вторичный процесс для достижения требуемого качества поверхности».

Превосходное качество поверхности обработанной детали требует точных настроек в CAM-системе, качественных резевоудерживателей и точных станков, по словам Левина. «Большинство CAM-систем обычно используют аппроксимированную сетку поверх топологии поверхности модели. Преимущество этого метода — единый процесс расчета независимо от того, как CAD-система или CAD-трансляторы определяют поверхностные сущности», — говорит Левин. Open Mind недавно добавила модель высокой точности для прямой обработки поверхностей детали, улучшая качество поверхности.

Быстрый рост аддитивных технологий

Новые методы работы с аддитивными приложениями быстро растут, особенно те, что в CAM-системах для направленного энергетического (порошковое или проволочное) напыления, добавляет Левин. «Некоторые вендоры CAM обратились к этому рыночному потенциалу с новой аддитивной стратегией или модифицированными техниками, применяемыми в порошковых системах», — говорит Левин. «Используя последние, стратегии траекторий инструмента каким-то образом ограничены. Open Mind разработала аддитивный процесс программирования, позволяющий адаптировать почти все фрезерные траектории для аддитивного производства, и включает дополнительные технологии, необходимые для этого рынка. Это дает пользователям свободу создавать процесс программирования, включая 2D и 3D стратегии траекторий, а также пятиосевое управление при необходимости».

Аддитивное и гибридное производство (аддитивное и вычитательное на одном станке) набирают популярность. Почему? Большинство аддитивных процессов для металлов не дают подходящего качества поверхности. Гибридные решения позволяют получить фрезерованную поверхность на том же станке и в той же установке, что произвело аддитивные части.

«Эти станки интересны конечным пользователям. Open Mind активна в аддитивных процессах производства на основе разработок направленного энергетического напыления», — говорит Левин. Использование включает демонстрации с партнерами-производителями станков, университетскими и исследовательскими активностями, а также некоторыми ранними промышленными пользователями, работающими с аддитивной и гибридной обработкой металлов.

«Тренд аддитивного производства ведет нас к гибридным CAM-системам», — говорит Чак Мэтьюз, исполнительный вице-президент DP Technology Corp. (Камарилло, Калифорния), разработчика ESPRIT CAM. «В качестве примера, ESPRIT Additive для Direct Energy Deposition доступен в полноспектральной системе ESPRIT CAM, предлагая программирование, оптимизацию и симуляцию для аддитивных и вычитательных процессов в одном интегрированном решении».

Мэтьюз говорит, что ESPRIT Additive App обеспечивает программирование для многофункциональных, многоосевых, многочастотных, токарно-фрезерных, аддитивных и вычитательных станков. Аддитивные и вычитательные процессы программируются, оптимизируются и симулируются вместе в едином интерфейсе.

Аддитивные техники проникают почти в каждый CAD/CAM продукт, так как аддитивное производство дает свободу дизайна, недоступную в традиционных вычитательных методах.

«Эти новые техники открыли инновационные способы создания деталей, которые не могли быть сделаны ранее», — говорит Бен Мунд, старший рыночный аналитик CNC Software Inc. (Толланд, Коннектикут), разработчика Mastercam. «Сочетая высокоточные поверхности, получаемые вычитательным производством в процессе, с аддитивными техниками, вы достигаете лучшего из обоих процессов».

CAD/CAM ПО должно позволять инженеру контролировать аддитивный процесс так же, как вычитательное, с аналогичными инструментами. Мунд советует искать такие функции, как поддерживающий материал, определение градиентных материалов, а также техники вроде 3D-вкладывания и оптимизации ориентации детали, позволяющие пользователю контролировать все аспекты производственного процесса.

«Аддитивное производство — часть нашего наследия в 3D Systems, и мы видим много параллельных и интегрированных аддитивных и вычитательных производств в отрасли», — отмечает Даниэль Ременак, менеджер по продукту GibbsCAM, для производителя аддитивных станков 3D Systems Inc. (Рок-Хилл, Южная Каролина). «По мере того как эти рабочие процессы становятся более распространенными, это влияет на ожидания клиентов от ПО программирования, которое должно эффективно связывать эти технологии. Наш продукт 3DXpert посвящен в основном аддитивным рабочим процессам, используя корпоративный CAD-опыт для поддержки и генерации решеток, и нашу экспертизу в вычитательной обработке для продвинутого движка нарезки и пост-обработки после печати».

Ременак говорит, что команда GibbsCAM несколько лет работает с производителями CNC-станков и исследователями над разработкой посвященных техник программирования гибридных вычитательных и аддитивных станков с напылением.

Стратегии быстрого производства

«Хлеб с маслом» обработки может лежать в автоматизации часто используемых функций для цеховых пользователей, которым нужны быстрые, точные результаты для изготовления деталей высокого качества, часто в больших объемах и вовремя, всегда. Ключ к этим целям — in-CAD симуляции, которые держат цеха в тонусе, гарантируя, что программы деталей выполняются правильно, с нулевыми дорогостоящими столкновениями, и несколько более простая сфера CAD-инструментов, называемых «CAD для CAM», дающие пользователям базовые опции для быстрого изготовления деталей.

«Первичный фокус каждой нашей CAD-функции и улучшения основан на идее "CAD для CAM", что означает подготовку детали к производству», — говорит Манд из CNC Software. «Это наша цель номер один. Будь то пользователь создал сложную деталь с нуля внутри Mastercam, или ему нужно проанализировать и исправить проблемные зоны детали, созданной в другой CAD-системе, наш набор каркасных, поверхностных и твердотельных инструментов доступен, чтобы сделать всё готовым к обработке без задержки».

Мунд говорит, что несколько факторов влияют на CAD/CAM дизайн, но большинство связаны с инновациями, снижением затрат, ускорением выхода на рынок и повышением эффективности. «Мы постоянно слушаем потребности клиентов относительно деталей, над которыми они работают, и проблем, с которыми они сталкиваются, чтобы разрабатывать новые инструменты, делающие большее возможным внутри набора CAD-инструментов Mastercam», — говорит Мунд. «Чем быстрее пользователь может создать новую деталь или внести правки в импортированную в поддержку производственного процесса, тем быстрее она может быть запрограммирована и поставлена на станок для резания.

Ускорение выхода на рынок — ключ, добавляет он. «Многие корректировки можно сделать внутри Mastercam с нашими CAD-инструментами, экономя время и расходы на возврат в исходную CAD-систему. В этом случае мы позволяем CAM-программистам вносить изменения, поддерживающие процесс обработки, будь то проектирование оснастки, создание временной впроцессной геометрии или исправление проблем в исходном CAD-файле.

«Эффективность означает использование всех наших инструментов к цели подготовки детали к станку — каркас, поверхности и твердотельные тела все работают вместе для этой цели», — продолжает Мунд. Наконец, важна связность. «В мире CAD это может означать чтение деталей из каждого CAD-моделлера, поддерживающего стандартные форматы вроде IGES и STEP и распространенные проприетарные вроде SAT, DXF, DWG, X_T и так далее».

Он также считает, что это означает ассоциативность CAD-модели в файле детали Mastercam с CAM-информацией; изменение модели — и траектории инструментов знают об этом и могут быть легко обновлены без необходимости начинать с нуля.

Другие вендоры придерживаются похожих подходов к CAD, нацеленным на традиционных пользователей CAM. «Open Mind спроектировала свой фундамент hyperCAD-S (внутри hyperMILL) как модуль CAD-для-CAM. Популярные CAD-системы не всегда дают лучший пользовательский опыт для CAM-пользователей», — говорит Левин. «Фокус в hyperCAD-S — упростить функции, необходимые для управления CAM-системой. Примеры: выбор границ, продолжение граней, фильтры выбора вроде копланарных и коаксиальных, и другие функции для лечения и переподгонки поверхностей при необходимости».

Open Mind пошла дальше, предлагая предопределенные последовательности CAD-утилит для CAM-пользователя и внутри CAM-стратегий, без необходимости базовых выборов, добавляет он.

«Например, в индустрии формовочного инструмента и штампов, острые края критичны для стыковки геометрии ядра и полости, чтобы избежать заусенцев при литье. Для получения чистого края и избежания скатывания реза над краем, полезно продолжить эти поверхности и правильно направлять резе на входе и выходе с детали».

Модуль hyperMILL Z-level shape finishing включает автоматическое касательное продолжение для упрощения этого процесса для пользователя. Результат — обработанные поверхности и края без утомительных выборов и лишних шагов в CAM-программировании.

Для сложной многоосевой обработки симуляции обязательны, и in-CAD симуляции стали популярны по сравнению с более дорогими сторонними симуляциями на рынке. «Мы продолжаем видеть сильный тренд к сложным многофункциональным станкам и увеличенному использованию и зависимости от симуляции станка», — говорит Ременак из GibbsCAM. «Цехи фокусируются на приобретении ПО, которое может обеспечить лучшую эффективность программирования, наивысшую производительность на станке и самые сильные инструменты верификации с надежными постпроцессорами».

Постобработка устраняет объезды

Хорошая постобработка, или полный CAD/CAM, работающий с другими производственными программными решениями, избавляет от непредвиденных объездов. «То, что делает CAM-систему "хорошей" по нашему мнению, сводится к качеству ее постпроцессора и технической поддержке вендора», — говорит Мэтьюз из DP Technology. «Когда вопросы программирования получают быстрые и точные ответы, а система выдает хороший код, программирование упрощается, использование станка растет, а время наладки и цикловые времена падают».

DP Technology стремится предоставлять лучшую доступную постобработку и техническую поддержку, утверждает он, добавляя, что «стратегия ESPRIT — тесно работать с производителями станков и создавать Digital Twin каждого ЧПУ, включающий заводские постпроцессоры, разработанные для вывода оптимизированного для обработки, не требующего правок G-кода», — говорит Мэтьюз. DP Technology обеспечивает ESPRIT заводским прямым обучением и технической поддержкой для клиентов в Северной Америке через выделенную команду инженеров-прикладников ESPRIT.

Все в одном

Полные пакеты могут привлечь пользователей, ищущих «все в одном» в CAD/CAM, объединяющих CAD/CAM с контролем и метрологией, или с PLM, ERP и MES решениями.

«Один из последних трендов, которые мы слышим от клиентов и новых перспектив — их потребность в том, чтобы мы предоставляли полные производственные решения, а не просто CAD/CAM ПО», — говорит Ник Сперретт, региональный директор по Америке, Production Software, Hexagon Manufacturing Intelligence (Норт-Кингстаун, Род-Айленд). «Их запросы охватывают всё: от MES-решений до решений, которые проведут их до полной верификации станка. С добавлением NCSIMUL и WORKPLAN, Hexagon Production Software выстраивает свой бизнес в ответ на эти тренды».

Hexagon Manufacturing Intelligence недавно продемонстрировала демо своих цифровых производственных решений, составляющих портфолио Production Software, которое включает несколько CAD/CAM продуктов Vero Software, приобретенных Hexagon пару лет назад, плюс NCSIMUL — пакет высокоуровневой симуляции и верификации, вместе с традиционными решениями Hexagon для контроля.

«Мы продолжаем развивать все наши производственные продукты, включая более быстрое создание траекторий и предоставление стратегий Waveform по всей линейке продуктов», — говорит Сперретт о недавно объединенном портфолио. «Мы также доставляем технологию Advanced Toolform с введением пятиосевой обработки для любой формы реза. Это позволяет пятиосевым формам резов — бочкообразным, овальным, параболическим или любой заданной форме — рассчитываться поверхностями детали, включая отрицательные смещения (допуски)».

«Дизайн для производства — одно из ключевых решений, запущенных за последние 12 месяцев», — добавляет Сперретт. «Мы предоставляем решение CAD для CAM, или CAD для цехов, для компаний, желающих использовать преимущества получаемых CAD-данных — или работать в CAD-среде, которую цех или CNC-программист может использовать, потому что она предоставляет функциональность, специально нужную для производства. Использование прямого моделирования позволяет пользователю напрямую модифицировать геометрию, толкая или тянув части модели по своему усмотрению».