Программное обеспечение для 3D-печати

Внедрение метода 3D-печати в производственный процесс основано на программном обеспечении для проектирования, моделирования, симуляции процессов, подготовки к 3D-печати, распределения детали на платформу построения, управления производством, контроля качества. Производители 3D-принтеров (OEM) поставляют программное обеспечение вместе со своими 3D-принтерами, но оно часто не включает в себя все функции, необходимые для аддитивного производства (АП) в промышленных масштабах. В этой статье мы расскажем о различных категориях программного обеспечения для 3D-печати, о том, как они сочетаются друг с другом в рабочем процессе аддитивного производства, а также о ведущих зарубежных и российских компаниях, предоставляющие коммерчески доступные решения.

Рабочий процесс программного обеспечения для 3D-печати начинается с проектирования и заканчивается окончательным одобрением контролем качества. Между ними выполняется множество (не всегда последовательных) этапов, включая моделирование, постобработку, 3D-печать, проверку и анализ данных. На приведенной выше схеме показаны основные категории программных продуктов, используемых в процессе 3D-печати. Мы рассмотрим их по порядку.

Проектирование (CAD)

Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (CAD) используется инженерами и проектировщиками для трехмерного моделирования деталей. В большинстве случаев для проектирования деталей для 3D-печати используется то же программное обеспечение CAD, что и для обычного производства. К компаниям, производящим программное обеспечение CAD, относятся зарубежные компании Dassault Systèmes, Siemens, PTC и Autodesk, а также российские производители АО «АСКОН», ООО «Тесис», ООО НТЦ «АПМ», ООО «АДЕМ-ИНЖИНИРИНГ», АО «Эремекс». В некоторых случаях для создания поверхностей и конструкций, оптимизированных для 3D-печати, используется специальное программное обеспечение для проектирования аддитивного производства. Примерами такой геометрии являются сложные решетки, полые элементы и цифровые текстуры. Зарубежные компании Materialise, nTop и Zverse и российский производитель CAD систем Компас-3D (АО «АСКОН»).

Программное обеспечение Компас-3D (АО «АСКОН»)

Также, существует особый класс программного обеспечения для проектирования, которые используют «генеративный дизайн» или «топологическую оптимизацию», которые позволяют оптимизировать геометрию детали для достижения желаемых механических свойств. Это программное обеспечение опирается на компьютерное моделирование для уточнения геометрии детали, сочетая правила проектирования в CAD и автоматизированном проектировании (CAE).  Ведущими поставщиками такого программного обеспечения являются зарубежные компании Altair, Autodesk и Paramatters, а также российские производители ООО НТЦ «АПМ» и ООО «Тесис».

 Имитационное моделирование (CAE)

По словам компании Siemens, «автоматизированное проектирование (CAE) — это использование компьютерного программного обеспечения для имитационного моделирования с целью улучшения конструкции изделия или помощи в решении инженерных проблем... включая моделирование, валидацию и оптимизацию продуктов, процессов и производственных инструментов». В случае с 3D-печатью CAE используется не только для оптимизации дизайна, как мы упоминали выше, но и для оптимизации самого производственного процесса. Из-за сложных физических процессов, связанные с 3D-печатью, существует множество потенциальных проблем с качеством изделия, которые программное обеспечение CAE может помочь решить. Под сегментные программы CAE включают анализ методом конечных элементов (FEA), который анализирует структурные, тепловые характеристики и вычислительную гидродинамику (CFD) для анализа потока жидкости. Программы FEA и CFD имеют решающее значение для моделирования и оптимизации процессов аддитивного производства. К ведущим компаниям, предоставляющим программное обеспечение CAE, относятся зарубежные компании Ansys, Additiveflow  и Flow3D, а также российские ООО НТЦ «АПМ» с программой APM FEM для прочностного анализа для CAD системы КОМПАС-3D и ООО «Тесис» с программой KompassFlow для CAD системы КОМПАС-3D.  

Программное обеспечение для моделирования технологических процессов Flow3D

 В дополнение к использованию и улучшению качества 3D-печати, программы CAE играют важную роль в оптимизации таких параметров, как скорость 3D-печати, затраты на электроэнергию и материалы, факторы которые влияют на экономику 3D-печати. Программы CAD и CAE вместе предоставляют базовые данные, которые необходимы для выполнения последующего этапа разработки производственного процесса для 3D-принтера.

 Подготовка (CAM)

Автоматизированное производство (CAM) — это использование программного обеспечения для управления оборудования, таким как станки. Программное обеспечение CAM принимает данные CAD и CAE в качестве входных данных и создает машинные инструкции (g-код), которые программируют производственное оборудование для выполнения точного процесса. При «настройке программы работы построения» в программном обеспечении CAM необходимо выполнить пять ключевых шагов:

Определение ориентации детали:

Наилучший способ ориентации детали на платформе построения зависит от множества факторов, таких как требование к точности и чистоте поверхности, физических процессов, конструкции поддержек и оптимальное расположение деталей на платформе построения (см. ниже). Программа CAM может предложить оптимальную ориентацию, но обычно требует ввода данных пользователем.

Генерация поддержек:

Существует множество различных подходов к созданию поддержек детали во время 3D-печати. Оптимальная конструкция поддержек зависит от ее геометрии, процесса, материала и других переменных. Этот шаг в значительной степени автоматизирован в большинстве CAM-программ.

«Near-net-shape» процесс:

В процессе «near-net-shape», в программе CAM часто генерируется дополнительный материал («stock») для деталей с высокими требованиями к шероховатости поверхности и точности, который удаляется во время постобработки методом механообработки.

Размещение детали на платформе (Nesting):

Во время процесса 3D-печати на платформе построения можно размещать несколько деталей одновременно, распределенных по платформе и даже уложенных по оси Z. Программное обеспечение CAM помогает размещать детали на платформе построения, так чтобы как можно больше вместить их количество без ущерба для качества 3D-печати.

Нарезка слоев для 3D-печати и управление процессом:

После выполнения всех вышеперечисленных этапов и выбора параметров 3D-печати, программное обеспечение CAM генерирует g-код, который отправляется на принтер для выполнения процесса 3D-печати.

Программа ADEM CAM для КОМПАС-3D 3D-печати металлом

 Почти все 3D-принтеры поставляются «out of the box» с программным обеспечением CAM от OEM-производителя, которое включает в себя основные функции, необходимые для работы с оборудованием. Более продвинутые промышленные пользователи АП обычно используют сторонние программы для большего контроля и эффективности. Это автономное программное обеспечение CAM может оказаться полезным при создании сложных загрузок деталей на платформу построения с высоким разрешением, требующих больших вычислительных ресурсов. Это также позволяет использовать один API с парком различного оборудования для 3D-печати.  Для этих целей популярны такие программы, как Netfab (Autodesk), Magics (Materialise), Dyndrite и ADEM CAM для КОМПАС-3D (ООО «АДЕМ-ИНЖИНИРИНГ»).

 Производственный процесс (MES/ERP/PLM)

Программное обеспечение для управления производственными процессами уже несколько десятилетий используется в традиционных цепочках поставок. Это программное обеспечение включает в себя системы управления производством (MES), планирование ресурсов предприятия (ERP) и управление жизненным циклом изделий (PLM).  Самые продвинутые операторы 3D-принтеров для аддитивного производства также используют программное обеспечение для управления рабочими процессами для управления большим парком различных принтеров на нескольких производственных площадках. В этих сценариях рабочие процессы аддитивного производства должны быть тесно интегрированы в общую расширенную цепочку поставок. Некоторые крупные поставщики программного обеспечения CAD (упомянутые выше), а также компании-разработчики программного обеспечения для цепочек  поставок, такие как SAP,  увеличивают свои инвестиции в специфические функции аддитивного производства и интеграцию аддитивного производства с существующими MES, ERP и PLM. Такие стартапы, как Linked3D, 3yourmind и Oqton,  разработали программное обеспечение, ориентированное специально на рабочие процессы цепочки поставок аддитивного производства. Российский производитель АО «АСКОН» создал программу Лоцман:PLM для управления инженерными данными и жизненным циклом изделия.

Контроль качества и безопасность

 Успешное масштабирование цепочек поставок аддитивного производства требует надежного контроля качества, такого как мониторинг процессов, инспекция и прослеживаемость. Такой контроль качества достигается за счет интеграции инструментов мониторинга технологических процессов, измерительного и контрольного программного обеспечения, используемого метрологическим и испытательным оборудованием, а также соответствующих данных ERP для обеспечения полной прослеживаемости. Примерами компаний, предоставляющих такие программные решения, являются Hexagon, Nikon и DNAam.

Защита цепочек поставок аддитивного производства и всех связанных с ними данных является еще одним важным требованием к программному обеспечению. Защита промышленных образцов, технологических параметров, интеллектуальной собственности, коммерческой тайны и другой конфиденциальной информации требует комплексного управления данными и их шифрования. Кроме того, чтобы безопасно использовать аддитивное производство для децентрализованного производства точно в срок, компании разработали программное обеспечение для обеспечения безопасности, чтобы предотвратить распространение деталей, которые не соответствуют стандартам качества или которые изначально не были разрешены к производству. Компании LEO Lane, Identify3D и Authentise разработали программные решения, удовлетворяющие эти потребности.

 Программное обеспечение 3D-принтера (OEM)

 Как упоминалось ранее, промышленные принтеры поставляются с программным обеспечением, предназначенным для конкретного 3D-принтера, которое удовлетворяет некоторые, критически важные потребности в производственных процессах 3D-печати. Почти все программное обеспечение OEM разработано для конкретных 3D-принтеров OEM и не совместимо с широким спектром оборудования. По этой причине специфическое программное обеспечение OEM несмотря на то, что некоторые из них были довольно впечатляющими, было исключено из этого анализа. В этой статье основное внимание уделяется автономным программным решениям, которые широко используются и не относятся к узкому спектру процессов 3D-печати, оборудования, применений или материалов.

 Будущее программного обеспечения для 3D-печати

 Как видно из приведенной выше диаграммы, ландшафт программного обеспечения для 3D-печати велик, сложен и фрагментирован. Многие компании и продукты конкурируют между собой, перекрывая друг друга по функциональности. Чтобы еще больше запутать ситуацию, существует множество партнерств, объединяющих несколько продуктов с дополнительными функциями. Это создает еще больший спектр потенциальных решений для рабочего процесса. Кроме того, многие из перечисленных выше компаний в категориях подготовки, рабочего процесса, контроля качества и безопасности являются относительно новыми. Вместе взятые, все эти факторы создают высокий потенциал для объединения в будущем индустрии программного обеспечения для 3D-печати. Скорее всего, это произойдет за счет поглощения крупных компаний, занимающих лидирующие позиции в области CAD и ERP/MES/PLM. Так, в России уже создан консорциум «Развитие», в который входят пять компаний такие как АО «АСКОН», ООО «Тесис», ООО НТЦ «АПМ», ООО «АДЕМ-ИНЖИНИРИНГ», АО «Эремекс», которые в совокупности создали программные продукты CAD,CAE,CAM для 3D-печати.  

Независимо от того, как будет развиваться 3D-печать в будущем, программное обеспечение будет по-прежнему оставаться критически важным элементом в продвижении отрасли вперед. Многие технические проблемы, с которыми сталкивается 3D-печать, как оптимизация конструкции, согласованность процессов, качество деталей, скорость 3D-печати решаются, по крайней мере частично, с помощью программного обеспечения. В конце концов, одно из ключевых преимуществ аддитивного производства заключается в том, что это принципиально цифровой процесс. Это означает, что он хорош настолько, насколько удобное программное обеспечение, на котором он работает, поэтому многие компании разработчики программного обеспечения для 3D-печати продолжают неустанно трудиться над его улучшением. Постоянные инвестиции и совершенствование программного обеспечения для 3D-печати помогут повысить конкурентоспособность аддитивного производства в устоявшихся традиционных цепочках поставок.