Неявное моделирование для аддитивного производства
Некоторое современное программное обеспечение начинает использовать новые алгоритмические принципы в угоду более эффективного проектирования продукции аддитивного производства. Традиционное проектирование деталей с помощью твердотельного или поверхностного автоматизированного проектирования (САПР) имеет много преимуществ с точки зрения визуализации и традиционного субтрактивного производства. Однако это неидеальное решение для аддитивного производства, для которого необходима именно объёмная модель с информацией о поверхности и внутренней структуре объекта. И вот здесь как раз и возникает та самая проблема целесообразности печати деталей, спроектированных под станки с ЧПУ. Сталкивались с этим? Только в случае перепроектирования модели с добавлением ячеистых или тройных периодических минимальных поверхностей у модели есть шанс иметь удовлетворительную экономику при печати. Но будет ли готов к этому производственник, которому необходимо решить проблему здесь и сейчас? Прямое моделирование объекта, используя точки, треугольники или параметрическую, часто твердотельную геометрию, называется явным методом, потому что в этом случае проектируемые объекты можно увидеть напрямую. Однако во многих отношениях явное моделирование поверхности не является естественным методом геометрического моделирования. Большинство объектов имеют объёмные характеристики со сложной внутренней структурой. Естественные объекты обычно имеют непрерывную форму с бесконечным количеством деталей, особенно для биологических объектов, таких как кости и кровеносная/лимфатическая система человека. Природные объекты часто формируются процедурным процессом, например, развитие человеческого тела из одной клетки. Для описания таких объектов более естественным и эффективным методом может быть использование реальных функций вместо точек и треугольников. Неявная функция лучше отражает способ создания природных объектов и является более эффективным способом моделирования, чем явная геометрия. Твердотельное моделирование предлагает лучшее решение, так как оно позволяет напрямую работать с областями, подлежащими печати для каждого слоя объекта. Оно может быть реализовано либо явно в виде набора вокселов и тетраэдров, либо в виде параметрических тел, либо неявно, в виде функции поля. Однако представление твёрдого объекта в виде набора точек 3D-вокселей или набора тетраэдров может быть дорогостоящим с точки зрения требуемого места для хранения. Что ещё более важно, они не являются точным представлением. Независимо от количества используемых вокселей или тетраэдров, они обеспечивают лишь приблизительное решение. Рис. Пример явного моделирования с твердотельным представлением (B-rep) или триангуляцией. Источник: Metafold Неявное (Implicit) моделирование – это способ представления геометрической формы с помощью неявных функций, содержащих отношения между точками в пространстве с использованием условий или ограничений, и помогает создавать детали одновременно для аддитивного и традиционного производства, но раскрывает весь свой потенциал только при 3D-печати. Данные о геометрии при таком моделировании хранятся в так называемом трёхмерном поле скалярных значений, где положительные значения находятся за пределами границы геометрии, а отрицательные значения находятся внутри границы геометрии. Рис. Поле скалярных значений Неявное геометрическое представление позволяет объединить геометрическую форму, цвет материала, внутреннюю структуру материала и другие требуемые атрибуты в одном описании в виде набора неявных функций. Кроме того, поскольку неявные объекты обычно задаются процедурно, в их спецификациях используется очень мало данных, что делает их особенно полезными для проектирования и визуализации с помощью современных облачных мобильных устройств, которые обычно не имеют очень большого пространства для хранения данных. Наконец, неявное моделирование — это процедура проектирования, удобная для параллельных вычислений, поскольку проектирование сложного геометрического объекта может быть разделено на набор простых задач по проектированию формы благодаря наличию операций неявного смешивания с сохранением формы. Другими словами, для относительно простых деталей и традиционного производства явное моделирование будет являться приемлемым. Однако для сложных деталей, которые может производить только аддитивное производство, программное обеспечение, основанное на явном моделировании, может «увязнуть» в обработке данных. Если требуется представить много поверхностей, это приводит к больши́м размерам файлов и сложности при внесении изменений, а также при сохранении файлов и совместном использовании. Рис. Пример неявного моделирования в Altair Inspire. Источник: Altair Рис. Возможности неявного моделирования nTop, с помощью которых масса корпуса форсунки Aerojet Rocketdyne была уменьшена в 2 раза. Источник: Velo3D По сравнению с методами явного моделирования неявное моделирование может привести к более быстрой обработке конструктивных изменений и уменьшению размеров файлов. Поскольку неявное моделирование основано на формулах, а не на дискретных данных, стратегия позволяет легко масштабировать проекты или вносить модификации, не замедляя работу программного обеспечения. Неявное моделирование может позволить проектировщикам преодолеть предыдущие ограничения, налагаемые программным обеспечением САПР, обеспечивая более быструю обработку сложных структур, таких как гироидные решётки, а также использование новых видов форм. Этот метод моделирования позволяет с большей лёгкостью использовать такие возможности, как метаматериалы и градиенты материалов на основе геометрии. При использовании для воссоздания объектов из физического мира неявное моделирование может быть менее точным, чем явное моделирование. Результат моделирования зависит от исходных данных и навыков разработчика. Неявное моделирование, возможно, лучше подходит для разработки новых конструкций, где более важна поддержка сложности конструкции и гибкости при многочисленных итерациях. В то время как явное моделирование хорошо подходит для субтрактивного производства, неявное моделирование может быть более эффективным выбором для представления сложных структур заполнения и других функций, которые делает возможным аддитивное производство. Неявное моделирование особенно эффективно при проектировании деталей с больши́м количеством поверхностей, таких как теплообменники, фильтры и биореакторы. Рис. Большое количество ячеистых структур, реализованное с помощью ПО для неявного моделирования Metafold. Источник: Metafold Неявное моделирование позволяет избежать проблем с размером файла, как у явного моделирования, поскольку нет необходимости описывать каждую поверхность каждого элемента детали. В некоторых случаях переключение с явного на неявное моделирование может привести к экономии времени в несколько дней на изменение или сохранение файла проекта. Рис. Теплообменник Siemens Energy, разработанный в nTop, с размером файла всего 1 Мб. Печать на EOS M290. Источник: EOS Во многих случаях проекты, разработанные с помощью инструментов неявного моделирования, экспортируются в виде файлов STL/3MF для создания явных представлений для 3D-печати. Программы проектирования и программное обеспечение, включающие возможности неявного моделирования, включают в себя Inspire, Fusion 360, (платформа и API), , 3DXpert, через различные плагины Grasshopper и NX. Сегодня можно использовать «гибридное моделирование», которое описывает возможность комбинирования различных типов геометрических представлений. Гибридное моделирование позволяет использовать неявные представления для сложных решётчатых структур, конформных линий ISO-сетки, твердотельных моделей (BRep), воксельных элементов, поддерживающих структур. Рис. Инструмент для «гибридного моделирования». Источник: Oqton 3DXpert Новичок в отрасли — неявное моделирование, быстро создаёт имидж «игрока, меняющего правила игры» в индустрии аддитивного производства. Вместо представления геометрии треугольниками или границами в неявном моделировании используются формулы, создающие иллюзию форм. Тем не менее на последнем этапе, подразумевающем печать деталей, сегодня чаще требуется преобразования любой «продвинутой» геометрии в сетку явных форматов, возвращаясь опять от «компьютера к кульману», от компактных размеров файлов к гигантским, от лёгкости работы и визуализации проектов к «неповоротливым» файлам. Исключения здесь есть, но крайне немногочисленны. Рис. Результат печати после проектирования в ПО для «гибридного моделирования». Источник: Oqton 3DXpert Наконец, наиболее распространённым представлением в программных системах CAD/CAM по-прежнему являются твердотельное моделирование, а использование неявного может негативно отразиться на чёткости граней и точности. Поэтому одним из очевидных решений будет работа в таком «гибридном» ПО, которое позволит одновременно манипулировать всеми типами данных в одном сеансе, забывая о различиях и тонкостях каждого типа, что является целостным и гармоничным подходом к аддитивному производству. В статье использовались материалы: https://vk.com/@altair_rus-neyavnoe-modelirovanie-chto-eto-i-kogda-primenyat https://www.additivemanufacturing.media/articles/implicit-modeling-for-additive-manufacturing https://oqton.com/posts/hybrid-modeling-enabling-a-holistic-approach-to-additive-manufacturing/
Что такое неявное моделирование?
В чем преимущества неявного моделирования?
Каковы недостатки неявного моделирования?
Как неявное моделирование помогает аддитивному производству?
Какое программное обеспечение использует неявное моделирование?
Гибридное моделирование
