Передовой инжиниринг для аддитивного производства
Время чтения - 10 минут
Аддитивный инжиниринг REDITIVE©
Предварительный анализ, проектирование, технологическая подготовка и аддитивное производство изделий являются связанными процессами. Оптимальный результат получается в том случае, когда все этапы реализуются командой профессионалов в единой эффективной системе. КБ «РЭДИТИВ» разработало и внедрило такую систему в своей ежедневной работе.
Аддитивный инжиниринг REDITIVE© состоит из семи этапов:
Эту последовательность, или какой-то отдельный этап можно использовать при решении широкого спектра прикладных задач в машиностроении, медицине и образовании.
Предварительный анализ, проектирование, технологическая подготовка и аддитивное производство изделий являются связанными процессами. Оптимальный результат получается в том случае, когда все этапы реализуются командой профессионалов в единой эффективной системе. КБ «РЭДИТИВ» разработало и внедрило такую систему в своей ежедневной работе.
Аддитивный инжиниринг REDITIVE© состоит из семи этапов:
- технико-экономический анализ аддитивного производства в REDITIVE.ASSISTANT©;
- реверс-инжиниринг и обратное проектирование;
- аддитивное проектирование и оптимизация;
- технологическая подготовка и компенсация технологических деформаций в REDITIVE.COMPENSATION©;
- обучение и консалтинг;
- опытное производство;
- проектирование производственных участков и внедрение аддитивных технологий.
Эту последовательность, или какой-то отдельный этап можно использовать при решении широкого спектра прикладных задач в машиностроении, медицине и образовании.
Технико-экономический анализ в REDITIVE.ASSISTANT©
Все начинается с анализа номенклатуры деталей для определения целесообразности их изготовления методами 3D-печати. Основными определяющими факторами здесь являются: габариты, материал, количество, геометрия деталей и стоимость их изготовления. Подготовленный специалист может определить эти параметры для одного изделия за несколько минут. Но ручной анализ тысяч деталей уже представляет определенные трудности, а в жестких временных рамках невозможен.
Для решения этой проблемы КБ «РЭДИТИВ» разработало специальное программное обеспечение для технико-экономического анализа аддитивного производства. REDITIVE.ASSISTANT© позволяет в автоматическом режиме, с минимальным участием пользователя вычислить ключевые технологические и экономические параметры деталей, а также определить эффективность использования аддитивного производства. В качестве исходных данных для работы программы требуются 3D-модели деталей и спецификация материалов, которые могут быть выгружены из PLM-систем. Тестирование и обучение REDITIVE.ASSISTANT© осуществлялось на базе данных из 200 различных деталей общим объемом 7 Gb, а время обработки данных составило 4 минуты.
По результатам анализа были выделены наиболее перспективные детали для полимерной и металлической 3D-печати, а также рекомендуемые размеры области построения и тип аддитивных установок (FFF, SLA, SLS, BJ, SLM, DED-W). REDITIVE.ASSISTANT© не заменяет технического специалиста, но помогает ему увидеть общую картину и сфокусировать дальнейшее проектирование и технологическую подготовку на наиболее перспективных деталях.
Все начинается с анализа номенклатуры деталей для определения целесообразности их изготовления методами 3D-печати. Основными определяющими факторами здесь являются: габариты, материал, количество, геометрия деталей и стоимость их изготовления. Подготовленный специалист может определить эти параметры для одного изделия за несколько минут. Но ручной анализ тысяч деталей уже представляет определенные трудности, а в жестких временных рамках невозможен.
Для решения этой проблемы КБ «РЭДИТИВ» разработало специальное программное обеспечение для технико-экономического анализа аддитивного производства. REDITIVE.ASSISTANT© позволяет в автоматическом режиме, с минимальным участием пользователя вычислить ключевые технологические и экономические параметры деталей, а также определить эффективность использования аддитивного производства. В качестве исходных данных для работы программы требуются 3D-модели деталей и спецификация материалов, которые могут быть выгружены из PLM-систем. Тестирование и обучение REDITIVE.ASSISTANT© осуществлялось на базе данных из 200 различных деталей общим объемом 7 Gb, а время обработки данных составило 4 минуты.
По результатам анализа были выделены наиболее перспективные детали для полимерной и металлической 3D-печати, а также рекомендуемые размеры области построения и тип аддитивных установок (FFF, SLA, SLS, BJ, SLM, DED-W). REDITIVE.ASSISTANT© не заменяет технического специалиста, но помогает ему увидеть общую картину и сфокусировать дальнейшее проектирование и технологическую подготовку на наиболее перспективных деталях.
Реверс-инжиниринг
В сложившейся ситуации дефицита импортных комплектующих реверс-инжиниринг является важнейшим инструментом для их изготовления собственными силами. При помощи 3D-сканирования или компьютерной томографии воссоздается промежуточная компьютерная модель реального объекта в фасетном формате (STL), а анализ ее конструкции, химического состава и микроструктуры материала позволяет определить технологию ее производства. Полученная фасетная модель используется в качестве основы для построения твердотельной CAD-модели в стандартном граничном представлении (BREP).
В процессе реверс-инжиниринга исходную конструкцию можно улучшить при помощи инженерного анализа и топологической оптимизации. По завершении проектирования восстанавливаемых деталей переходят к их производству. В условиях сжатых сроков и при небольших производственных партиях эти детали можно изготовить по аддитивной технологии в течение нескольких дней.
КБ «РЭДИТИВ» имеет большой опыт реверс-инжиниринга, включая проекты, где требовалось только 3D-сканирование, а также более сложные задачи, где требовался полный цикл услуг. Эти проекты включали в себя анализ материалов, проектирование CAD-моделей, технологическую подготовку и их изготовление аддитивными методами. Общий портфель проектов по реверс-инжинирингу насчитывает более 250 различных деталей и узлов.
При реализации этих проектов КБ «РЭДИТИВ» использовало собственные оптические измерительные системы, а также компьютерные томографы, 3D-сканеры и лабораторное оборудование наших партнеров.
В сложившейся ситуации дефицита импортных комплектующих реверс-инжиниринг является важнейшим инструментом для их изготовления собственными силами. При помощи 3D-сканирования или компьютерной томографии воссоздается промежуточная компьютерная модель реального объекта в фасетном формате (STL), а анализ ее конструкции, химического состава и микроструктуры материала позволяет определить технологию ее производства. Полученная фасетная модель используется в качестве основы для построения твердотельной CAD-модели в стандартном граничном представлении (BREP).
В процессе реверс-инжиниринга исходную конструкцию можно улучшить при помощи инженерного анализа и топологической оптимизации. По завершении проектирования восстанавливаемых деталей переходят к их производству. В условиях сжатых сроков и при небольших производственных партиях эти детали можно изготовить по аддитивной технологии в течение нескольких дней.
КБ «РЭДИТИВ» имеет большой опыт реверс-инжиниринга, включая проекты, где требовалось только 3D-сканирование, а также более сложные задачи, где требовался полный цикл услуг. Эти проекты включали в себя анализ материалов, проектирование CAD-моделей, технологическую подготовку и их изготовление аддитивными методами. Общий портфель проектов по реверс-инжинирингу насчитывает более 250 различных деталей и узлов.
При реализации этих проектов КБ «РЭДИТИВ» использовало собственные оптические измерительные системы, а также компьютерные томографы, 3D-сканеры и лабораторное оборудование наших партнеров.
Аддитивное проектирование
Для максимальной реализации технологических возможностей аддитивного производства необходимо использовать современные подходы к проектированию. Изготовление детали по слоям, на основе компьютерной модели позволяет внедрять в ее конструкцию ранее неосуществимые геометрические элементы, например, сложную систему внутренних каналов и полостей, бионические силовые элементы, объемное и поверхностное заполнение ячеистыми структурами.
Аддитивное проектирование включает в себя специальные методы построения CAD-моделей, а также последующие расчеты и оптимизацию. Благодаря инженерному анализу и топологической оптимизации
можно определить и улучшить ключевые характеристики изделия. Внедрение в деталь ячеистых структур позволяет получить уникальные геометрические и физико-механические
свойства деталей: высокое отношение прочности и устойчивости конструкции к ее массе, проницаемость и различные схемы теплообмена, ударопоглощение, фильтрация, остеоинтеграция.
КБ «РЭДИТИВ» выполняет работы по проектированию деталей и заготовок различными методами,
включая твердотельное и полигональное построение, алгоритмическое и функциональное моделирование для создания управляемых периодических элементов и ячеистых структур. На данный момент мы выполнили более 10 проектов по инженерному анализу и топологической оптимизации сверхлегких несущих конструкций, а общее количество оптимизированных деталей составляет более 50. Отрабатывается топологическая оптимизация тепломассопереноса и гидрогазодинамики на тестовых задачах и демонстрационных кейсах. В направлении исследований метаматериалов (ячеистых/сетчатых структур) мы определили более 400 эффективных механических, теплофизических и гидравлических характеристик для различных типов ячеек и материалов, а также разработали методы проектирования и расчетов деталей на их основе.
Для максимальной реализации технологических возможностей аддитивного производства необходимо использовать современные подходы к проектированию. Изготовление детали по слоям, на основе компьютерной модели позволяет внедрять в ее конструкцию ранее неосуществимые геометрические элементы, например, сложную систему внутренних каналов и полостей, бионические силовые элементы, объемное и поверхностное заполнение ячеистыми структурами.
Аддитивное проектирование включает в себя специальные методы построения CAD-моделей, а также последующие расчеты и оптимизацию. Благодаря инженерному анализу и топологической оптимизации
можно определить и улучшить ключевые характеристики изделия. Внедрение в деталь ячеистых структур позволяет получить уникальные геометрические и физико-механические
свойства деталей: высокое отношение прочности и устойчивости конструкции к ее массе, проницаемость и различные схемы теплообмена, ударопоглощение, фильтрация, остеоинтеграция.
КБ «РЭДИТИВ» выполняет работы по проектированию деталей и заготовок различными методами,
включая твердотельное и полигональное построение, алгоритмическое и функциональное моделирование для создания управляемых периодических элементов и ячеистых структур. На данный момент мы выполнили более 10 проектов по инженерному анализу и топологической оптимизации сверхлегких несущих конструкций, а общее количество оптимизированных деталей составляет более 50. Отрабатывается топологическая оптимизация тепломассопереноса и гидрогазодинамики на тестовых задачах и демонстрационных кейсах. В направлении исследований метаматериалов (ячеистых/сетчатых структур) мы определили более 400 эффективных механических, теплофизических и гидравлических характеристик для различных типов ячеек и материалов, а также разработали методы проектирования и расчетов деталей на их основе.
Технологическая подготовка и REDITIVE.COMPENSATION©
После завершения проектирования наступает этап подготовки к аддитивному производству, где создается 3D-модель заготовки, поддерживающие структуры и другие технологические элементы. Для металлической 3D-печати выполняется математическое моделирование технологического процесса с целью прогнозирования и предотвращения дефектов при изготовлении.
КБ «РЭДИТИВ» выполняет подготовку данных для нескольких технологий 3D-печати (FFF, SLA, SLS, MJ, BJ, SLM и DED-W), включая подбор ориентации заготовок в камере построения, создание поддерживающих структур и слайсинг. Мы также имеем успешный опыт моделирования технологического процесса SLM более чем на 10 деталях. В ходе этих работ была подобрана ориентация заготовок с минимальным риском возникновения дефектов и высоких короблений, после чего была выполнена компенсация технологических деформаций. Полученные результаты расчетов качественно совпадали с реальными короблениями заготовок, но были недостаточно точными в некоторых случаях. Это объясняется ограничениями численных методов анализа SLM-процесса, основанных на подходе собственных технологических деформаций (Inherent Strain) или многоуровневом моделировании.
Для решения проблемы высоких короблений формы деталей в процессе аддитивного производства КБ «РЭДИТИВ» разработало собственное программное обеспечение для компенсации технологических деформаций. REDITIVE.COMPENSATION© создает компенсированную заготовку на основе анализа загруженных данных 3D-сканирования или компьютерной томографии в формате STL. Эффективность и точность данного подхода была подтверждена в 5 проектах на 20 деталях, изготовленных по технологии SLM и DED-W.
REDITIVE.COMPENSATION© показывает стабильный результат по снижению искажений формы при SLM 3D-печати более чем в 5 раз, в некоторых случаях до максимального отклонения в ± 0,05 мм.
После завершения проектирования наступает этап подготовки к аддитивному производству, где создается 3D-модель заготовки, поддерживающие структуры и другие технологические элементы. Для металлической 3D-печати выполняется математическое моделирование технологического процесса с целью прогнозирования и предотвращения дефектов при изготовлении.
КБ «РЭДИТИВ» выполняет подготовку данных для нескольких технологий 3D-печати (FFF, SLA, SLS, MJ, BJ, SLM и DED-W), включая подбор ориентации заготовок в камере построения, создание поддерживающих структур и слайсинг. Мы также имеем успешный опыт моделирования технологического процесса SLM более чем на 10 деталях. В ходе этих работ была подобрана ориентация заготовок с минимальным риском возникновения дефектов и высоких короблений, после чего была выполнена компенсация технологических деформаций. Полученные результаты расчетов качественно совпадали с реальными короблениями заготовок, но были недостаточно точными в некоторых случаях. Это объясняется ограничениями численных методов анализа SLM-процесса, основанных на подходе собственных технологических деформаций (Inherent Strain) или многоуровневом моделировании.
Для решения проблемы высоких короблений формы деталей в процессе аддитивного производства КБ «РЭДИТИВ» разработало собственное программное обеспечение для компенсации технологических деформаций. REDITIVE.COMPENSATION© создает компенсированную заготовку на основе анализа загруженных данных 3D-сканирования или компьютерной томографии в формате STL. Эффективность и точность данного подхода была подтверждена в 5 проектах на 20 деталях, изготовленных по технологии SLM и DED-W.
REDITIVE.COMPENSATION© показывает стабильный результат по снижению искажений формы при SLM 3D-печати более чем в 5 раз, в некоторых случаях до максимального отклонения в ± 0,05 мм.
Обучение и консалтинг
Важнейшим этапом внедрения аддитивных технологий является обучение персонала и консалтинг, который позволяет максимально быстро перейти к эффективному решению прикладных задач и производству. Для осуществления этого КБ «РЭДИТИВ» разработало собственный курс обучения, включающий следующие темы:
Данный курс или его отдельные темы использовались в трех крупных проектах внедрения аддитивных технологий на предприятиях российской аэрокосмической отрасли. Обучение проходило с демонстрацией различных деталей и заготовок, полученных 3D-печатью, а также с практическими заданиями, ориентированными на решение ключевых задач заказчика. Программа обучения КБ «РЭДИТИВ» регулярно дополняется результатами прикладных исследований и кейсами успешно выполненных проектов.
Важнейшим этапом внедрения аддитивных технологий является обучение персонала и консалтинг, который позволяет максимально быстро перейти к эффективному решению прикладных задач и производству. Для осуществления этого КБ «РЭДИТИВ» разработало собственный курс обучения, включающий следующие темы:
- основные технологии аддитивного производства и примеры их использования;
- аддитивное проектирование (инженерный анализ, топологическая оптимизация и метаматериалы);
- технологическая подготовка SLS/SLM-процесса;
- математическое моделирование аддитивных технологических процессов.
Данный курс или его отдельные темы использовались в трех крупных проектах внедрения аддитивных технологий на предприятиях российской аэрокосмической отрасли. Обучение проходило с демонстрацией различных деталей и заготовок, полученных 3D-печатью, а также с практическими заданиями, ориентированными на решение ключевых задач заказчика. Программа обучения КБ «РЭДИТИВ» регулярно дополняется результатами прикладных исследований и кейсами успешно выполненных проектов.
Опытное производство
Опытное, или заказное производство помогает компаниям проверить эффективность аддитивных технологий без приобретения дорогостоящих установок 3D-печати и вспомогательного оборудования. Предварительное проектирование деталей, их технологическая подготовка, отработка режимов 3D-печати и опытное изготовление позволяют компаниям в кратчайшие сроки перейти к производству деталей сразу после пусконаладочных работ собственных аддитивных установок.
КБ «РЭДИТИВ» в кооперации с ООО «ИННФОКУС» и другими ведущими аддитивными производствами России изготовило и поставило более 1000 полимерных и металлических деталей нашим заказчикам. При реализации этих проектов мы использовали собственное оборудование для прототипирования (FFF, SLA) и производства высокоточных выплавляемых моделей (MJ), а также установки 3D-печати (SLS, BJ, SLM, DED-W) наших партнеров.
Опытное, или заказное производство помогает компаниям проверить эффективность аддитивных технологий без приобретения дорогостоящих установок 3D-печати и вспомогательного оборудования. Предварительное проектирование деталей, их технологическая подготовка, отработка режимов 3D-печати и опытное изготовление позволяют компаниям в кратчайшие сроки перейти к производству деталей сразу после пусконаладочных работ собственных аддитивных установок.
КБ «РЭДИТИВ» в кооперации с ООО «ИННФОКУС» и другими ведущими аддитивными производствами России изготовило и поставило более 1000 полимерных и металлических деталей нашим заказчикам. При реализации этих проектов мы использовали собственное оборудование для прототипирования (FFF, SLA) и производства высокоточных выплавляемых моделей (MJ), а также установки 3D-печати (SLS, BJ, SLM, DED-W) наших партнеров.
Внедрение аддитивных технологий
Все предыдущие этапы инжиниринга REDITIVE© были подготовительными действиями перед созданием эффективного аддитивного производства заказчика. При помощи REDITIVE.ASSISTANT© отбираются наиболее перспективные детали для аддитивного производства. Использование реверс-инжиниринга и аддитивного проектирования позволяет воссоздать или адаптировать исходные детали к 3D-печати, а также улучшить их ключевые характеристики. Технологическая подготовка, математическое моделирование процессов 3D-печати и REDITIVE.COMPENSATION© минимизируют риски возникновения дефектов, снижают стоимость аддитивного производства и увеличивают точность изготавливаемых деталей. Консалтинг, обучение персонала и заказная 3D-печать деталей-демонстраторов обеспечивают быстрый старт собственного аддитивного производства.
Сотрудничество КБ «РЭДИТИВ» с ведущими российскими производителями аддитивного оборудования (F2 innovations, xWeld, Onsint, Robotech, «Лазерные системы») и поставщиками (ООО «ИННФОКУС») позволяет нам выбрать оптимальный набор оборудования для решения производственных задач заказчика и создать концепцию или проект будущего участка аддитивных технологий.
Все предыдущие этапы инжиниринга REDITIVE© были подготовительными действиями перед созданием эффективного аддитивного производства заказчика. При помощи REDITIVE.ASSISTANT© отбираются наиболее перспективные детали для аддитивного производства. Использование реверс-инжиниринга и аддитивного проектирования позволяет воссоздать или адаптировать исходные детали к 3D-печати, а также улучшить их ключевые характеристики. Технологическая подготовка, математическое моделирование процессов 3D-печати и REDITIVE.COMPENSATION© минимизируют риски возникновения дефектов, снижают стоимость аддитивного производства и увеличивают точность изготавливаемых деталей. Консалтинг, обучение персонала и заказная 3D-печать деталей-демонстраторов обеспечивают быстрый старт собственного аддитивного производства.
Сотрудничество КБ «РЭДИТИВ» с ведущими российскими производителями аддитивного оборудования (F2 innovations, xWeld, Onsint, Robotech, «Лазерные системы») и поставщиками (ООО «ИННФОКУС») позволяет нам выбрать оптимальный набор оборудования для решения производственных задач заказчика и создать концепцию или проект будущего участка аддитивных технологий.
С полным текстом статьи Вы можете ознакомится на сайте издателя.