Когда внедрять аддитивное производство вместо традиционного
Экономика – ключ к внедрению аддитивного производства. Когда вы производите одну деталь в рамках традиционного подхода, вам необходимо вернуть затраты на технологическую подготовку производства, поэтому издержки на единицу готовой продукции очень высоки. Когда вы производите миллион копий, вы возвращаете затраты на технологическую подготовку производства, и поскольку затраты очень малы, вы быстро снижаете стоимость единицы. На графике ниже показано, что 3D-печать становится выгодной при существенно меньших объемах выпуска. В свете того, что современное производство должно быть гибким и легко переоснащаемым на выпуск других изделий, трехмерная печать выглядит крайне привлекательно как раз по экономическим соображениям.
В рамках традиционного производства с ростом сложности конструкции возрастает стоимость готового продукта. Увеличение сложности обычно означает увеличение числа деталей в готовом изделии, увеличение числа поставщиков, увеличение времени выполнения, и все это равносильно увеличению затрат. При аддитивном производстве все иначе. Объединяя большое количество деталей в единое целое, вы увеличиваете сложность отдельной детали, но увеличение сложности не означает рост затрат. В этом аддитивное производство драматически отличается от традиционного: объем экономии по сравнению с традиционными методами производства увеличивается по мере того, как конструкция становится более сложной.
Непрерывный процесс аддитивного производства в Siemens NX CAM
Компания Siemens PLM Software предлагает для аддитивного производства самое полное решение на рынке. Ее продукт Siemens NX CAM обеспечивает полностью интегрированное решение для аддитивного производства:
- единый формат данных для CAD/CAE/CAM;
- унифицированный пользовательский интерфейс;
- ассоциативность между различными доменами;
- полная интеграция с PLM и MES.
Процесс аддитивного производства состоит из следующих шагов:
- Проектирование
- Топологическая оптимизация
- Адаптация
- Анализ и проверка
- Подготовка производства
- Печать и последующая обработка
- Управление данными и процессами
Аддитивное производство компонента руля высоты самолета. Пошаговое описание процесса.
1. Проектирование
В проектировании с использованием фасетных тел компания Siemens PLM Software предлагает пользователям революционный подход с использованием технологии конвергентного моделирования. Конвергентное тело — это представление фасетного тела в ядре твердотельного моделирования Parasolid. Это означает, что при изменении геометрии фасетного тела больше нет необходимости работать с отдельными фасетами. Для работы с фасетным телом можно использовать стандартные функции моделирования NX, такие как булевы операции (объединение, вычитание, пересечение), создавать на конвергентном теле примитивы, например отверстия, карманы, пазы. Другими словами – работать с конвергентным телом так же, как с обычным твердым телом NX. На рисунке ниже показано меню «Преобразование фасетного тела», с помощью которого пользователь может преобразовать фасетное тело в конвергентное.
Преобразование выполняется между следующими типами тел:
- JT → Конвергентное тело
- JT → Фасетное тело NX
- Фасетное тело NX → Конвергентное тело
- Конвергентное тело → Фасетное тело NX
На рисунке ниже показано конвергентное тело в навигаторе модели.
Решетчатые структуры для аддитивного производства
При проектировании деталей для аддитивного производства появилась возможность широкого использования решетчатых структур для снижения веса деталей. Ранее использование решетчатых структур было ограничено технологическими параметрами конструкции. Однако применение аддитивного производства практически полностью снимает эти ограничения — теперь вы можете просто заполнять объемы решетчатыми объектами.
Примеры использования решетчатых структур:
На рисунке ниже приведено диалоговое окно для создания решетчатых структур в Siemens NX CAM:
При создании решетчатой структуры вы можете задать ее свойства, например
- выбрать тип ячейки из 15 предопределенных типов,
- задать случайный порядок расположения,
- установить коэффициент точности для коррекции количества фасетов.
Формы ячеек для построения решетчатых структур показаны на рисунке ниже:
Проверка правильности проектирования для аддитивного производства
Для обеспечения качественной 3D печати в Siemens NX CAM встроены несколько проверок на правильность проектирования для аддитивного производства. Эти проверки позволяют пользователю обеспечить качество 3D-печати на стадии проектирования.
Встроенные проверки работают с твердыми и конвергентными телами. Проверки включают несколько процедур, перечисленных ниже.
- Анализ углов поднутрений:
- поиск областей поднутрений на детали;
- поиск областей, которые нуждаются в поддержке или будут искажаться при 3D печати;
- поиск внутренних каналов, которые могут искажаться при 3D печати.
- Анализ толщины стенок:
- поиск областей с чрезмерно тонкими стенками;
- поиск областей, которые не могут быть напечатаны на 3D-принтере из-за небольшой толщины;
- поиск областей, которые могут искажаться при печати или печататься с ошибками.
- Анализ полностью закрытых областей:
- поиск областей, в которых объем полностью закрыт;
- поиск областей, где может оставаться порошок, который невозможно удалить;
- поиск областей, в которых поддерживающая геометрия не может быть удалена.
- Анализ области печати:
- проверка, может ли деталь быть напечатана на выбранном принтере;
- возможно, потребуется использовать более крупный принтер;
- возможно, потребуется изменить ориентацию печати;
- может потребоваться сегментировать модель на несколько частей.
- Анализ минимального радиуса:
- проверка геометрии детали, радиусы скруглений которой меньше минимального заданного значения.
2. Топологическая оптимизация
Топологическая оптимизация – один из самых важных инструментов, который позволяет внедрять аддитивное производство. Если просто напечатать на 3D-принтере деталь, которая уже производится традиционными методами, то мы получим ту же деталь, только в несколько раз дороже. Однако если требуется изготовить деталь, которая по своим функциональным возможностям будет соответствовать изготовленной традиционными методами, но при этом в 5 раз легче, то это тот случай, когда не обойтись без топологической оптимизации.
Обзор функциональных возможностей
Рабочий процесс топологической оптимизации в NX CAM отличается от традиционных решений оптимизации топологии и имеет следующие особенности:
Работа выполняется в рабочей детали NX CAD в контексте сборки.
Поддерживаются одно или несколько пространств проектирования. У каждого из них есть свои:
- метод построения,
- материал,
- конструктивные ограничения,
- конечно-элементные нагрузки и ограничения,
- значение ограничения оптимизации (например целевая масса).
Конструкция модели учитывает функциональные требования к изделию, например:
- сохранить/вычесть заданный объем;
цилиндрические отверстия должны иметь припуск материала вокруг отверстия;
отверстия должны быть обработаны цековкой для создания опорных плоскостей под различные крепежные элементы – шайбы, головки болта или винта и т. д.;
Вы можете управлять уровнем разрешения.
Есть возможность создавать сглаженные, органические формы с острыми кромками, где это необходимо.
Использование результатов оптимизации топологии
Оптимизация топологии – это не конечная операция проектирования, для многих деталей это только начало. Существует множество возможностей для использования результатов оптимизации топологии:
- выполнить прямую печать детали на 3D-принтере;
- использовать модель для отливки, создания пресс-формы или многоосевой обработки;
- использовать для дальнейшего проектирования или моделирования с использованием конвергентных моделей.
Конвергентная модель представляет собой новый формат данных Parasolid, представленный в Siemens NX CAM, – единый формат данных для обоих типов: NURBS и Facet. Существующие функциональные возможности моделирования можно использовать без ограничений.
Более подробно о процессе топологической оптимизации мы расскажем в отдельной статье.
3. Адаптация
После выполнения топологической оптимизации пользователь получает 3D-модель детали как конвергентное тело, геометрия которого полностью отвечает заданным параметрам оптимизации (весу, прочности и т. д.). Однако часто необходимо доработать геометрию детали после 3D-печати, так как существующие технологии 3D печати не могут обеспечить необходимую точность геометрии, например, при создании отверстия под запрессовку подшипника (допуск по квалитету M6). Так же иногда требуется изменить геометрию детали для придания ей более «презентабельного» вида, что невозможно сделать с помощью топологической оптимизации.
На рисунке ниже показаны примеры деталей до и после адаптации:
Здесь показано использование функций моделирования при работе с конвергентным телом. При адаптации данной детали использовались как функции работы с твердым телом, так и функции работы с фасетными телами и поверхностями свободной формы. Это позволяет конструктору снять большинство ограничений при работе с фасетными телами и переосмыслить подход к моделированию.
4. Анализ и проверка
В дополнение к возможностям анализа, встроенным в топологическую оптимизацию, Simcenter 3D позволяет оптимизировать топологию конструкции детали с использованием сложных нагрузок и ограничений.
Чтобы убедиться, что проект соответствует вашим ожиданиям, вы можете использовать расширенные возможности анализа в Simcenter 3D.
Используя компьютерное моделирование, вы можете проверить эффективность деталей.
Вы также можете проанализировать влияние процессов аддитивного производства, чтобы подтвердить, что напечатанные детали будут соответствовать целевым требованиям проекта.
5. Подготовка производства
Для подготовки производства в Siemens NX CAM имеется несколько различных технологий 3D-печати. Основные технологии 3D-печати, которые поддерживаются в Siemens NX CAM, приведены в таблице ниже.
| Прямое осаждение материала (гибридная аддитивная технология) |  |
| Селективное лазерное спекание (послойное спекание порошка) | 
|
| Струйное осаждение/струйная технология (многосопловое осаждение) | 
|
| Осаждение материала плавлением (много-осевое) | 
|
Siemens NX CAM обеспечивает управляемый процесс подготовки аддитивного производства на базе 3D-модели. Выбор принтера из библиотеки автоматически определяет рабочую область печати. Детали позиционируются и ориентируются в рабочей области, чтобы повысить эффективность печати. Геометрия поддержки автоматически создается по мере необходимости. Задается процесс печати и создаются траектории лазера. Перед отправкой данных на 3D-принтер вы можете проверить сечения и траектории лазера в Siemens NX CAM. Проверенные лазерные траектории отправляются на 3D-принтер.
Вот как выглядит весь процесс в Siemens NX CAM.
1. Загрузка шаблона для 3D печати
При входе в модуль аддитивной обработки NX система предлагает пользователю выбрать шаблон для 3D-печати. Этот шаблон включает:
- модель принтера,
- рабочую область принтера,
- драйвер принтера и стратегии печати.
2. Выбор 3D-принтера
После выбора шаблона для 3D-печати пользователь может в любое время выбрать другой 3D-принтер. При этом нет необходимости изменять настройки, при смене принтера все настройки изменяются автоматически.
3. Добавление компонент в рабочую область принтера
Для добавления компонент в рабочую область принтера используется расширенная функциональность добавления компонент в сборку.
4. Оптимизация расположения и/или ориентации компонент в рабочей области принтера
Функциональность оптимизации расположения NX AM имеет конструктивные ограничения, такие как направление выращивания, плотность расположения и допустимое отклонение от направления выращивания в процессе расположения.
5. Автоматическое/ручное создание геометрии поддержек
Определение областей, которые нуждаются в геометрии поддержки.
Выбор из нескольких типов поддержки (различные материалы).
Автоматическое и ручное создание элементов поддержки.
Визуализация элементов поддержки в NX.
Изменение элементов поддержки (добавить, изменить, удалить).
Изменение геометрии поддержки с использованием стандартных команд моделирования.
6. Выбор/изменение стратегии печати
Перед генерацией файла печати пользователь должен выбрать материал и стратегию печати. Эти параметры задаются в меню конфигурации принтера и выбираются в меню NX.
7. Генерация выходного файла
Команда «Генерация выходного файла» создает файл в формате выбранного принтера, который содержит следующую информацию:
- геометрию деталей,
- свойства области печати,
- конфигурацию принтера,
- информацию о слоях и шаблонах заполнения слоев.
Размер файла зависит от
- количества различных компонентов,
- сложности компонентов,
- толщины слоя,
- шаблона заполнения.
Формат файла зависит от подключенного процессора принтера.
8. Анализ и проверка слоев и траекторий лазера для заполнения слоев
Для анализа и проверки слоев и траекторий лазера для заполнения слоев используется просмотрщик слоев компании Materialize.
6. Последующая обработка
Как правило, после 3D-печати детали требуется последующая обработка. Это необходимо для удаления геометрии поддержек, получения точных геометрических объектов, таких как отверстия, бобышки, карманы и т.д.
Интегрированный NX CAM
Имея в одной системе функциональность аддитивной и традиционной обработки, очень просто выполнять последующую обработку деталей с точными траекториями инструмента. Вы можете обрабатывать любую деталь, используя широкий спектр возможностей NX CAM. Все в одной системе и от одного поставщика – Siemens NX CAM.
7. Управление данными и связь с цехом
Управление производственными операциями
Управление производственными операциями включает следующие функции:
- управление операциями 3D печати,
- управление заказами,
- управление аддитивным производством,
- руководство оператора и контрольная карта,
- управление файлами заданий на печать,
- управление подачей порошка и мощностью лазера,
- полное отслеживание производственных данных.
Значение функций MOM в отношении аддитивного производства заключается в том, чтобы внедрить эту технологию производства в общий производственный процесс в случае серийного производства, учитывая операции, которые должны выполняться до и после операций аддитивного производства.
В технологию входят настройка и подготовка как самого 3D-принтера, так и созданного элемента (если печать производится на существующей промежуточной заготовке), а также последующая обработка, такая как удаление геометрии поддержки, термическая обработка, чистовые операции обработки и операции контроля. Создание, оптимизация и диспетчеризация производственных заказов – это ключевой момент для планирования и выполнения заказов с надлежащим распределением ресурсов.
Операторы в цехе получают указания о том, что и когда делать, в соответствующей последовательности и с подробными инструкциями. Операторы должны подтвердить, что они выполнили все обязательные действия, прежде чем они смогут перейти к следующему шагу.
Система MOM определяет необходимый 3D-принтер, используя ограничения, задаваемые временем печати детали, а также доступность ресурсов во время выполнения. Серийные номера деталей, связанные с номером операции, передаются системе, ответственной за их включение в файл задания печати, и в конечном итоге оператор может передать обновленный файл задания на 3D-принтер.
Процессы управления партиями порошка имеют важное значение как для обеспечения непрерывного производства, так и для обеспечения полной информации о произведенных изделий. Полная информация распространяется на многие другие элементы производственного процесса, включая данные всех задействованных производственных станков, временные метки активности, идентификаторы операторов и т. д.