АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Введение

Развитие аппаратных средств послойной печати в последнее время обуславливает высокий интерес к теме аддитивного производства, основанного на аддитивных технологиях.

Аддитивные технологии – метод создания трехмерных объектов, деталей или вещей путем послойного добавления материала: пластика, металла, бетона и, возможно, в будущем –  человеческой ткани.

В зависимости от конечного результата выделяют несколько направлений применения аддитивных технологий:

Изготовление деталей, которые будут использоваться в качестве шаблонов для конечного изделия. Часто применяют в ювелирном деле.
Изготовление пресс-форм с помощью аддитивных методов. Потом их можно использовать для формовки и литья изделий.

Большой выбор материалов и технологических процессов печати дают возможность применение аддитивным технологиям в различных сферах деятельности – от производства сувенирной продукции до изготовления высокотехнологичных деталей в области авиационного машиностроения. Важным вопросом в теме трехмерной печати является задача создания программного инструмента поддержки послойного производства, занимающая место между этапами проектирования детали и ее физической печати на устройстве

В промышленности производство 3D-изделий проходит через несколько общих этапов (они могут изменяться в зависимости от методов и материалов):
3D-моделирование или создание эскиза изделия. Создание уменьшенной копии изделия из более дешевого материала, например, недорого пластика вместо металла. Печать самого изделия после того, как копия прошла проверку. Принтер, следуя эскизу, добавляет слои жидкости, порошка или листового материала и изготавливает деталь, иногда всего за несколько часов.
Высокая разрешающая способность 3D-принтеров предъявляет высокие требования к программной составляющей, а сложность технологических процессов накладывает свои дополнительные ограничения. Технология определяет точность геометрического моделирования и требования к ресурсам цифровых систем. Распространение ПО  для аддитивного производства в целом является повторяем сценариев развития информационной поддержки в других областях. Существуют как проекты c открытым исходным кодом для автоматизации технологических процессов, обязательным для недорогих популярных принтеров, так и закрытое, являющимся хорошо защищенным программным обеспечением для промышленных принтеров в области высоких

Авторы данной работы провели классификацию аддитивных технологий по параметрам:

1. По применяемым строительным (модельным) материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т.д.)

2. По наличию или отсутствию лазера; - по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т.д.)

3. По методам формирования слоя.

Выбор аддитивных технологий осуществляют исходя из оценки следующих критериев: Стоимость приобретения; Производительность; Качество поверхности модели; Степень детализации (способность построить мелкие фрагменты); Точность построения; трудоемкость пост-обработки; Стабильность модельного материала; Срок службы машины до замены основных узлов; Стоимость модельных материалов; Стоимость текущего технического обслуживания машины; Стоимость сервисного контракта (в пост-гарантийный период); Надежность и долговечность машины; Время жизни основных узлов до замены или капремонта; Требуемая квалификация и, соответственно, стоимость обслуживающего персонала, а также требуемая площадь инсталляции и инженерная инфраструктура.

Авторы сформулировали задачи подготовки аддитивного производства на каждом этапе для средств автоматизации (табл.1).
В таблице 1 приведены задачи программного обеспечения подготовки аддитивного производства.

 

Таблица 1.

 

Задачи программного обеспечения подготовки аддитивного производства

Этап	Задачи
Валидация геометрии модели	Визуальная и алгоритмическая проверка целостности геометрического представления модели, обеспечение заданной технологической точности.
Компоновка рабочего стола или камеры	Импорт моделей в заранее заданном объеме и с заданной точностью, приведение единиц измерений, позиционирование моделей в системе координат печатающего устройства
Проектирование оснастки / поддержек	Выявление мест, которые требуют проектирования дополнительной оснастки или поддержки, обеспечение наполняемости внутренних объемов.
Проверка аппаратной совместимости	Проверка компоновки моделей на технологические температурные ограничения печатающего устройства
Генерация числовых программ оборудования	Составление и проверка числовых программ оборудования

 

Практическое использование разных технологий послойной печати и разных типов печатающих устройств дало возможность выявить ряд пороков имеющегося программного обеспечения, поставляемого с принтерами, а также выявить ряд нерешенных задач при технологической подготовке аддитивного производства. Основными недостатками существующего программного обеспечения (ПО) являются: сокрытие алгоритмов и методик расчета, непрозрачный механизм ценообразования, программные ограничения по точности и функциональности, отсутствие гарантированной технической и пользовательской поддержки и возможности оперативных доработок под потенциальные новые задачи производства, невозможность расширения функциональности для проведения инженерных расчетов и расширения номенклатуры печатающих устройств. Выявленные недостатки имеющегося ПО и потребности производства явились предпосылками для разработки собственных программных компонент по автоматизации подготовки аддитивного производства. В рамках научно-исследовательских и практических работ разработаны программные компоненты технологической подготовки производства (ПКТПП). При проектировании и разработке ПКТПП преследовались следующие цели:

1. Создание ядра системы геометрического моделирования, которая позволяет вести структурированное проектирование сборок.

2. Обеспечение импорта или экспорта геометрических моделей в сеточном представлении с заранее определенной точностью.

3. Создание совокупность инструментов компоновки пространства, позволяющие моделировать рабочую область3D-принтеров.

4. Отрабатывание математических методов для валидации геометрии моделей, и формирования прерывистого, слоистого представления моделей с определенной точностью.

5. Разрабатывание инструментов, которые позволили бы моделировать процессы и проведения численных инженерных расчетов, свойственных для селективных высокотемпературных аддитивных технологий.

6. Обеспечить создание программной среды для формирования команд, позволяющие осуществлять управление, перспективных 3D-принтеров.

Для достижения заданных целей был создан прототип ПКТПП, который представляет собой приложение для операционной системы MS Windows, построенное на базе Windows API без использования дополнительных программных библиотек. Для графики используется стандарт OpenGL – спецификация, определяющая платформонезависимый программный интерфейс для написания приложений, использующих двумерную и трёхмерную компьютерную графику. Вся геометрия представляет собой числа с неопределенной запятой двойной точности по 8 байт на число, что дает возможность не ограничивать точность программным способом. Общее количество обрабатываемых в одно время объектов ограничено только объемом используемых вычислительных ресурсов и размером адресного пространства, выделяемого операционной системой – 3 гигабайта для 32-х разрядных приложений. ПКТПП построены по модульному принципу с использованием объектно ориентированного подхода. Структура ПКТПП содержит ядро системы, базу данных объектов, пользовательский интерфейс, расчетные подпрограммы. Полиморфизм, заложенный при проектировании системы, позволяет инвариантно работать с различными типами объектов: c загруженными в виде сеток моделями, с 7 параметризованными внутренними объектами, дискретными объектами послойного представления. Использование компонентного подхода при разработке ПК ТПП позволяет расширять функциональность системы за счет интегрирования нового кода без пересборки основных модулей всей системы. Для экспорта моделей из систем автоматизированного проектирования используется формат STL (рис.1). Загруженные объекты упорядочиваются в иерархическую структуру.

 

 

Рис 1. Организация ввода-вывода информации в ПКТПП

 

Одной из задач подготовки производства является компоновка камеры печатающего устройства. ПКТПП позволяют интерактивно осуществлять линейные преобразования загруженных моделей для компоновки их в области печатающего устройства. Возможно сохранение скомпонованной камеры во внутреннем формате ПКТПП и экспорт моделей с учетом сделанных пространственных преобразований в формате STL в системе координат печатающего устройства. Одним из фундаментальных понятий в аддитивном производстве в силу технологических особенностей является послойное представление рабочей области печатающего устройства. ПКТПП позволяет формировать послойное представление любого диапазона рабочей области станка с любой точностью. Математический аппарат для расчета послойного представления основан на алгоритмах трассировки. Послойное представление можно рассматривать как обобщение дискретного представления с целью экономии вычислительных ресурсов при сопровождении аддитивного производства. Использование дискретного преставления позволяет более полно судить о геометрии детали и ее топологии. ПКТПП позволяет генерировать и отображать дискретное представление всей рабочей области печатающего устройства с любой заданной точностью. Конечным этапом подготовки аддитивного производства является составление управляющих команд оборудования. Во многих печатающих устройствах для этих целей используется язык станков ЧПУ G-Code. ПКТПП позволяет генерировать управляющие команды в формате G-Code по скомпонованным объектам. Проводить валидацию сгенерированных команд G-Code можно в других программных продуктах (PolygonforDesigner). Сгенерированные в ПКТПП числовые команды в формате G-Code можно передать непосредственно на «печать» в некоторые типы 3D-принтеров. Авторами осуществлена контрольная «печать» детали на оборудовании фирмы PICASO. Собственное геометрическое ядро и программные компоненты по генерации дискретного представления открывают широкие возможности для инженерных и аналитических расчетов. Например, анализ температурных показателей камер станков, работающих по технологиям селективного лазерного спекания, может помочь выявить проблемные места на этапах подготовки производства, до передачи изделий на печать. Выявление возможных деформаций, связанных с температурными процессами позволяет сократить процент брака, сократить временные и материальные затраты. В ПКТПП реализован расчет температур моделей, позиционированных в камере принтера. Распределение температур лопастей винта выполнено для станка EOS INT P 395 по данным EOS GmbH.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что в современных условиях при работе с инновационными технологиями производства важно в полное мере воспользоваться теми возможностями, которые предоставляет оборудование и не стать заложниками часто встречающейся ситуации, когда развитие программных средств не успевает за ростом технических возможностей аппаратных средств. Необходимо не только эффективно использовать поставляемое ПО, но и иметь возможность его быстрой доработки под новые задачи производства или под новые типы печатающих устройств. Практическое использование программных компонент (ПКТПП) на полном участке технологической подготовки от конструкторской модели до «печати» детали доказывает достоверность выбранных методик и программных решений. Схожесть технологических процессов аддитивного производства позволяет 13 говорить о применимости разработанных программных компонент и для других, в том числе перспективных, технологий послойного синтеза.

Разработанный алгоритм и инструментарий был применен на базе аэрокосмического института в работе промышленного 3D-принтера SLMSolutions 280, представленного на рисунке 2.

 

 

Рис 2. 3D-принтераSLMSolutions 280

 

Заключение

В ходе изучения вопросов разработки программного обеспечения (ПО) полного цикла подготовки аддитивного производства был сделан вывод о нововведении математического обеспечения и программного компонента технологической подготовки производства, которые позволяют осуществлять компоновку рабочей камеры аппаратуры, генерированния послойного представления и создавать управляющие команды в формате G-code. Проведенная валидация созданного программного обеспечения смогла доказать правильность выбранного математического и алгоритмического обеспечения. Типовые технологические процессы дают возможность говорить о применимости созданных методик для всего разнообразия в оборудовании аддитивного производства.