Productie maximaliseren met geavanceerde additieve productiesoftware

Hoe nieuwe CAD/CAM-programmeer- en simulatiesoftware additieve productieprocessen kan adresseren.

In het productierealm zijn additieve productie (AM) processen nog steeds de nieuwe kid on the block. Hoewel additief al enkele decennia bestaat, is het tot relatief recent meestal regulated tot prototyping-toepassingen en korte-series productie. Met nieuwere metaal-additieve processen heeft het potentieel voor AM echter dramatisch uitgebreid. Het heeft zich uitgebreid van wat gezien werd als een intrigerende technologie tot een meer realistisch productieproces dat nu breder wordt gebruikt door grote fabrikanten zoals GE en Lockheed om metaal AM-onderdelen voor vliegtuigmotoren en andere missie-kritische componenten en assemblages te maken. Naarmate AM-processen populairder zijn geworden, adresseren nieuwe CAD/CAM-programmeersoftware en gerelateerde simulatiepakketten enkele van de issues met additief's laag-voor-laag processen, door additieve workflow-tools met generatief ontwerp en veel meer uitgebreide 3D-visualisatie- en topologie-optimalisatietechnieken voor fabrikanten toe te voegen. Veel van deze nieuwe softwarepakketten hebben ook als doel om fabrikanten te helpen met de nieuwe klasse van hybride additieve/aftrekkende werktuigmachines.

Het onmogelijke mogelijk maken

Een van de cruciale doelen voor nieuwe additieve oplossingen is het genereren van aanzienlijk verbeterde ontwerpen. CAD/CAM-programmering in additief kan het voor productontwikkelingsingenieurs makkelijker maken om onderdelen te ontwerpen die eerder als onmogelijk om te produceren werden beschouwd. "Autodesk heeft een complete end-to-end workflow voor additieve productie gebouwd, van ontwerpoptimalisatie tot build-voorbereiding, simulatie en na-productie, die ontwerpers en ingenieurs helpt om van prototyping naar seriële productie te gaan," zei Duann Scott, business development en strategie, Additieve Productie en Composieten, Autodesk Inc. (San Rafael, CA). "We voegen nu Generatief Ontwerp toe om ontwerpers in staat te stellen de volledige potentie [van AM] te verkennen en te realiseren op manieren die eerder niet mogelijk waren."

AM's nieuwe capaciteit in seriële productie is een cruciale ontwikkeling, merkte Scott op. "Naarmate de industrie evolueert met nieuwe materialen en processen, zullen de use cases zich verbreden van kleine, complexe en/of gecustomiseerde onderdelen, naar grotere onderdelen naarmate lagere kosten machines en materialen de markt betreden," voegde hij toe. "We hebben de kosten van hardware dramatisch zien dalen naarmate cruciale octrooi verlopen, eerst in de polymere ruimte met FDM [fused-deposition modeling] machines die daalden van $40.000 naar $400, dan SLA [stereolithography apparatus] machines die daalden van vergelijkbare prijzen naar $3000, en nu SLS [selective laser sintering] machines die dalen van $150.000 naar $10.000. We zien nu een nieuwe golf van additieve metaalprocessen. Waar vroeger het $1 miljoen kostte om een enkele machine op te zetten, kunnen nieuwe machines nu voor ongeveer $100.000 worden gekocht. Deze massive reductie in de benodigde investering om onderdelen te produceren, zal de momenteel nog relatief kleine markt dramatisch verbreden."

Het toevoegen van generatieve ontwerpmogelijkheden aan software voor AM-processen zal ontwerpers substantiële voordelen geven, betoogde Scott. "Generatief ontwerp stelt ontwerpers en ingenieurs in staat om oplossingen te verkennen op basis van ontwerpbeperkingen en productieprocessen die onmogelijk te conceperen of uit te voeren zouden zijn met traditionele CAD-software," zei hij. "Meer dan alleen topologie-optimalisatie, die bestaande geometrie neemt en massa reduceert op basis van FEA [finite element analysis] solvers naar een enkele geoptimaliseerde ontwerp, creëert generatief ontwerp geometrische oplossingen op basis van meerdere doelen en meerdere productieprocessen om meerdere oplossingen te bieden. Deze oplossingen kunnen vervolgens geïtereerd worden om de geometrie verder te verfijnen, wat dan als-is geproduceerd kan worden, of als gids gebruikt kan worden, om de benadering van de ontwerper voor het ontwerp te informeren, op basis van de oplossingen die ze bieden."

Vroeg volgend jaar zal Autodesk de volgende versie van zijn Netfabb 2018 additieve/3D-printsoftware uitbrengen, momenteel in beta-testing, die nieuwe functies zal toevoegen inclusief generatieve ontwerpmogelijkheden. "De link tussen traditionele aftrekkende processen en additieve productie is dat beide diepgaande begrip vereisen van de specifieke machine- en materiaalcombinatie om optimale machinebesturing te creëren die voldoet aan de vereisten van de ontwerpingenieur," zei Scott. "Het is ook cruciaal voor de meeste metaal AM-onderdelen om aftrekkend bewerkt te worden na het printen om oppervlakkwaliteit en toleranties op onderdelen die interfaceren met andere onderdelen in een assemblage te waarborgen." Autodesk biedt de complete workflow, voegde hij toe, om hetzelfde CAD-bestand voor zowel additieve als de essentiële aftrekkende na-bewerking te gebruiken.

"Het combineren van afzonderlijke processen zoals additieve en aftrekkende in een productieworkflow omvat doorgaans meerdere stappen, vaak op verschillende machines. Dit moet nauwkeurig en geautomatiseerd zijn. Er is een digitaal procesdraadje dat begint met het ontwerp en engineering intent en simuleert wat er op elke stap in het proces zou moeten gebeuren – je moet bouwen op de oorspronkelijke data," stelde Scott. "Je moet ook de voortgang in de echte wereld monitoren, met inspectie en adaptieve of feedback-lussen om variatie te detecteren en te compenseren. Deze processen moeten ook verbonden zijn."

Vorig najaar kondigde Siemens PLM Software (Plano, TX) zijn "Additive Manufacturing with NX" oplossing aan, en begin dit jaar voegde het bedrijf het Siemens Part Manufacturing Platform toe, een online collaboratieve dienst gericht op het matchen van kopers en verkopers van additieve componenten. In april kondigde de softwareontwikkelaar, in eigendom van Siemens AG (Munich), ook een uitgebreid technologiepartnerschap aan met de langjarige additieve/3D-printsoftwareleverancier Materialise NV (Leuven, België) waaronder de Materialise Magics 3D Print Suite AM-software volledig geïntegreerd zal worden met Siemens' NX-software. De combinatie brengt de expertise van Materialise samen met Siemens PLM's NX-kern CAD/CAM/CAE-krachten, inclusief uitgebreide ontwerpmogelijkheden met simulatie-gebaseerde optimalisatietools, merkte Aaron Frankel, senior director, marketing, manufacturing engineering software, Siemens PLM op.

Siemens' additieve strategie heeft drie pijlers, beginnend met Additive Manufacturing with NX, wat het bedrijfs NX- en Teamcenter PLM-aanbod omvat, merkte Andreas Saar, Siemens PLM vice president, Manufacturing Engineering Group op. "Dat noemen we de digitale ketting en de kern die naar de toekomst gaat," zei Saar. Siemens zal drie- tot zes-maandelijkse updates van de software uitbrengen, met nieuwe printer-interfaces die met veel additieve spelers werken, inclusief EOS, Stratasys, DMG Mori, HP en anderen, zei hij.

"Ons doel is om additieve naar een industriële fase te brengen," zei Saar, Materialise te integreren in Siemens' grote NX-industriële geïnstalleerde basis. Een voorbeeld is GE, die additieve gebruikt om grote zuigers voor vliegtuigmotoren te produceren. "Er was een kleine groep, misschien 20-30 mensen, tussen ontwerp- en simulatie-ingenieurs, die dit mogelijk maakten, en er zijn waarschijnlijk 4000 ontwerpingenieurs daar. Ons doel is om dat aanzienlijk uit te breiden. We hebben 10.000 ontwerpplaatsen in GM. Deze kerels moeten additieve productie heroverwegen."

"Wat we in de markt zien is dat middelgrote en grote bedrijven additieve productiewerkgroepen creëren om de technologie te begrijpen," zei Frankel. "Er is een grote leercurve. Bedrijven pikken diverse disparate technologieën op om te zien wat werkt, maar die ad-hoc omgeving zal niet schalen. Bedrijven moeten een end-to-end oplossing hebben, en ze moeten in staat zijn om die data en proces met een enkele oplossing te managen."

De opkomst van hybride additieve bewerking

Veel nieuwere CAD/CAM-oplossingen voor additief richten zich op programmering of simulatie van de nieuwste generatie hybride additieve/aftrekkende werktuigmachines, inclusief inzendingen van DMG Mori en Mazak. Aangezien AM-componenten niet near-net-shape zijn en matige tot uitgebreide afwerking vereisen, is hybride een praktische benadering voor veel werktuigmachinegebruikers. Hybride machines, hoewel duur, zijn recentelijk betaalbaarder geworden.

Siemens' strategie is gericht op het ondersteunen van alle AM-machines, met name hybride eenheden van enkele van het bedrijf's partners, zoals DMG Mori en Mazak. "We ondersteunen bestaande oplossingen, zoals direct energy deposition, laserstraalsletselen en poederbed-fusie," zei Siemens PLM's Frankel. Van die technologieën zei Saar dat de meest voorkomende poederbed-fusie is, en Siemens ondersteunt de nieuwere Multi-Jet Fusion van HP, die 2D-printers met zuigers gebruikt. De machine heeft 3D-voxel-technologie die in één kleur print maar in staat zal zijn om in meerdere kleuren te printen. "De toekomst is heel schaalbaar," zei Saar.

Hybride machines zijn aantrekkelijk voor veel CAD/CAM-ontwikkelaars, en Vero Software (Reading, UK) plant om in de toekomst, mogelijk rond april volgend jaar, een hybride additieve bewerkingsmodule uit te brengen voor zijn Edgecam en andere CAM-software, zei Raf Lobato, strategic products director. Direct energy deposition, reparatie, features laten groeien, en cladding zijn allemaal focusgebieden voor dit type software, merkte hij op. "Om het meest uit additieve te halen, kan het niet echt op zichzelf leven; het 'toevoegen' gebied moet occasioneel voorbereid worden door aftrekkend en dan uiteindelijk, na materiaaltoevoeging, meestal afgewerkt worden met aftrekkend," stelde Lobato.

Meer onderzoek is nodig om veel additieve processen te verfijnen, merkte hij op. "Ze weten eigenlijk nog niet hoe ze effectief materiaal kunnen toevoegen," zei Lobato bij het beschrijven van direct energy deposition. "Wanneer je wat materiaal aan een component toevoegt, komt het niet perfect uit." Het gedeponeerde materiaal is niet dicht bij near-net-shape, wat aftrekkende afwerkbewerkingsprocessen vereist om de onderdelen te voltooien. "Het grote nieuws is dat de testen tonen dat het additieve materiaal dat in dit proces gedeponeerd wordt harder is dan de basismaterialen, in sommige gevallen," met bijna 100% dichte metalen toegevoegd aan deze metaalcomponenten in dergelijke cladding-operaties, zei Lobato.

In één voorbeeld, vereiste het repareren van vliegtuig-turbinebladen het uitschijven van een V-vormig stuk materiaal uit het onderdeel in plaats van gewoon metaal toe te voegen waar een scheur in het blad was. "Daar weer zie je waar een aftrekkende operatie vereist is," zei Lobato, akkoord gaand dat, op momenten, aftrekkende en additieve processen allebei nodig zijn om de klus te klaren. "Dat is ons geloof. Ook, het zou een bloedlange tijd duren – materiaal toevoegen is niet snel."

Verbeteringen in technologie, zowel software als hardware, plus snelheid, flexibiliteit, en natuurlijk kosten, zijn cruciaal voor additieve groei, zei Lobato. "We zijn betrokken bij het Kraken Project, https://krakenproject.eu/, wat gaat over additieve productie op grote onderdelen door een robot met een hogere nauwkeurigheidsoplossing dan traditioneel beschikbaar."

Een andere nieuwe inzending komt van CAD/CAM-ontwikkelaar DP Technology Corp. (Camarillo, CA), die in augustus zijn Esprit Additive Software-suite voor metaal additieve productie aankondigde. De software zou helpen de tijdrovende additieve programmeringsproces te vereenvoudigen in slechts een paar eenvoudige stappen.

"Vandaag's CAD/CAM-software moet krachtige programmering bieden voor multitasking, multifunctie, multikanaal, mill-turn, additieve en aftrekkende werktuigmachines, met additieve en aftrekkende processen die samen in een enkele gebruiksvriendelijke interface worden geprogrammeerd, geoptimaliseerd en gesimuleerd," zei Chuck Mathews, executive vice president, DP Technology. De nieuwe Esprit Additive-module wordt verwacht beschikbaar te zijn in mid-2018. DP Technology heeft sterke partnerschappen met DMG Mori en Mazak en de module zal additieve programmering bieden voor gebruikers van die bedrijven's hybride machines.

In Creo 4.0 lanceerde PTC (Needham, MA) een Additive Manufacturing-platform dat functionaliteit omvat om lichte structuren beter te ontwerpen en te optimaliseren, nieuwe assemblage-subtypen te definiëren die de te printen onderdelen, hun positie, materialen, kleuren, en meer kunnen opslaan, merkte Jose Coronado, productmanager van Creo Manufacturing and Simulation applications op. De additieve oplossing omvat ook een connectiviteitsfunctie om directe feedback aan de ontwerper te geven over de 3D-printers' mogelijkheden, wat in de ontwerpfase overwogen zal worden.

"Een hoog percentage Creo-gebruikers heeft gezegd dat ze momenteel implementeren, of overwegen om pilotprojecten in additieve productie te implementeren," zei Coronado. "Ook zijn veel kunststofprinters al op klantlocaties verschoven van prototype-werk naar fabricatie van tooling en fixtures, of direct om eindonderdelen te produceren. Een van de enablers van deze shift is de nieuwe functionaliteit beschikbaar in Creo, die ingenieurs in staat stelt geoptimaliseerde roosters te ontwerpen en direct te verbinden met Stratasys en 3D Systems kunststofprinters."

"PTC's roadmap voor Creo omvat meer roostertypes, topologie-optimalisatie geïntegreerd in het B-Rep [Boundary representation] model, ondersteuning van metaalprintprocessen en meer, allemaal zonder Creo te verlaten," vervolgde hij. "Maar onze gebruikers hoeven niet te wachten; PTC's huidige additieve en aftrekkende functionaliteiten coexisteren, naadloos geïntegreerd met het CAD-model. Met hetzelfde 3D-model kunnen we een tray-assembly voorbereiden om één of veel onderdelen te printen. Dan, als na-bewerking zoals boren, vlakfrezen of ontgraten nodig is, wordt hetzelfde 3D-model gebruikt om de corresponderende NC-toolpaden te creëren."

Een vroege pionier in additief, 3D Systems (Rock Hill, SC), biedt ook zijn additieve en aftrekkende productie-expertise aan samen met zijn 3DXpert Metal Additive Manufacturing-software die vorig jaar geïntroduceerd werd, volgens Daniel Remenak, productmanager, GibbsCAM 3D Systems. "3DXpert is een all-in-one softwareoplossing voor metaal additieve productie met geavanceerde mogelijkheden in print-voorbereiding, supports en structuuroptimalisatie, slicing, en zelfs na-print-operaties."

Hoewel CNC Software, ontwikkelaar van Mastercam, nog geen additief-specifieke module heeft uitgebracht, is het bedrijf "aan het evalueren welke additieve softwarebenaderingen het meest nuttig zijn voor onze klanten zowel nu als naarmate de technologie verder uitbreidt," merkte Ben Mund, senior market analyst, CNC Software Inc. (Tolland, CT) op.

"Het initiële issue van oppervlakteafwerking heeft dramatische verbetering gezien, alsook de beschikbare materialen, met meer ontwikkeling gaande in hoge-temperatuur- en structurele materialen, flexibele materialen, en composieten. Naarmate deze issues verbeteren, zal het proces in meer en meer plaatsen gebruikt worden," zei Mund. "Meer betaalbare metaalprinten zal de industrie ook vooruit helpen. We zien dat nu gebeuren met nieuwe typen meer betaalbare substraat-geïmpregneerde metalen.

"Er zijn ook veel plekken waar additieve en aftrekkende in concert gebruikt zullen worden," zei hij. "Dit kan variëren van het produceren van additieve fixtures voor aftrekkende bewerking, tot het creëren van additieve onderdelen die afgewerkt moeten worden. En, natuurlijk, zullen er altijd onderdelen zijn die onmogelijk zijn om door aftrekkende te produceren, waar additieve de enige keuze is."

Bij Open Mind Technologies USA Inc. (Needham, MA), ontwikkelaar van hyperMill CAD/CAM-software, heeft het bedrijf de capaciteit om AM-processen te ondersteunen met een additief-specifieke module die een optie is binnen hyperMill, merkte Alan Levine, managing director, op. Open Mind is al bijna 10 jaar betrokken bij additieve bewerking, voegde Levine toe. "Onze focus is programmeringsondersteuning voor laser-gebaseerde metaaldepositieprocessen. Deze inspanning is consistent met onze geavanceerde vijf-as-focus, en omvat feedback van onze klantenbasis. Vandaag werken we met machinepartners en sleuteleindgebruikers aan projecten en om nieuwe technologie te implementeren en te bevestigen. Onze processen zijn afgestemd op lopende ontwikkelingen in hyperMill, ons pakket voor aftrekkende bewerking, zodat dit werk gestroomlijnd is en elegant binnen onze huidige aanpak gedaan kan worden."

Hoewel additieve poederbed-machines een groter segment van de markt kunnen omvatten vandaag, is Open Mind's focus op laserdepositie, toegepast op het bouwen van nieuwe onderdelen (vaak met vijf-as machines) en onderhoud en reparatie in vormgeving en energie, volgens Levine. "Laserdepositieprocessen vereisen doorgaans geen in-process-structuren om overhangs te ondersteunen die later verwijderd moeten worden," zei Levine. "Ook is laserddepositie goed geschikt voor hybride bewerking."

Ongeveer een jaar geleden voegde Open Mind nieuwe simulatieondersteuning voor additieve toe van zijn partner en componentmodule-ontwikkelaar MachineWorks (Sheffield, UK). "Onze softwareontwikkeling voor additieve processen is gebaseerd op onze ervaringen en samenwerking met sleutelgebruikers en machinepartners. De verschillende onderdelen die vandaag gemaakt worden, leiden tot verfijningen van de software en procesworkflow. De fundamentele vereisten voor additieve verwerking – met betrekking tot vul- en begrenzingspaden, startpunten controleren, en lasertriggers – zijn al geïmplementeerd in de software," zei Levine. "Botsingscontroleprocedures hebben ook zorgvuldige aandacht nodig aangezien het werkstukmodel constant groeit, en depositiehoofden specifieke brandpuntslengtes vereisen voor correct poederdepositie."

NC- en additieve processen simuleren

Zoals in elk productieproces, is het nauwkeurig simuleren van metaalsnijden en metaalvormenbeweging cruciaal voor het waarborgen van productiekwaliteit en veiligheid van het gereedschap, de spanning en de werktuigmachine. Tot voor kort zijn simulatiesoftwareoplossingen schaars geweest voor het adequate visualiseren van AM-processen.

Op de Rapid/TCT-beurs in Pittsburgh introduceerde de nieuwste Vericut Versie 8.1 NC-simulatie-, verificatie- en optimalisatiesoftware nieuwe mogelijkheden voor het simuleren van additieve en hybride productieoperaties alsook voor continuous dressing tijdens slijpen, zei Gene Granata, productmanager voor Vericut bij CGTech (Irvine, CA). "Deze nieuwe methoden kunnen in elke volgorde worden gebruikt, met elke traditionele snijmethode [zoals frezen, draaien en vijf-as bewerking] en op praktisch elk merk CNC-machine. De nieuwe software heeft ook verbeteringen voor het segmenteren van het werkstuk, X-Caliper meetinstrument, Force toolpath-optimalisatie, en het instellen van rapporten om het productieproces automatisch te documenteren."

"De aantrekkingskracht van additieve productie brengt veel unieke uitdagingen met zich mee voor ontwerpers en NC-programmeurs," vervolgde hij. "Mensen trainen zichzelf om anders te denken, ontwerpen en programmeren, om een superieur product zo efficiënt mogelijk te maken. Simulatiesoftware, zoals Vericut, is een onschatbaar hulpmiddel voor NC-programmeurs om elk proces in de gebruikte volgorde te visualiseren en te verifiëren, productiestrategieën te vergelijken, en kostbare crashes of schade aan machines, gereedschappen en te maken onderdelen te voorkomen." Hybride machines zijn doorgaans duur, en meestal in beperkte voorraad bij een gegeven bedrijf, voegde hij toe. Reparatieonderdelen of technici voor laser en andere additieve apparatuur kunnen ook moeilijk te vinden zijn. "Simulatiesoftware biedt een kosteneffectieve bescherming om potentiële problemen te mitigeren voordat ze voorkomen."

Het vinden van nieuwe manieren om onderdelen geproduceerd via additieve processen te programmeren, presenteert een nieuwe uitdaging voor NC-programmeurs. "Het hebben van opties om additieve, aftrekkende, of hybride methoden te employeren duwt programmeurs vaak om buiten hun vorige 'comfortzone' te denken om dingen te doen die niet eerder mogelijk gedacht werden," merkte Granata op. "Nieuwe Design for Additive Manufacturing [DFAM] en additieve NC-programmeerpossibiliteiten lijken in elke nieuwe CAD/CAM-release aan te komen. Hoewel deze verbeteringen bedoeld zijn om additieve NC-programmeurs meer opties te bieden, verhoogt dit ook de leercurve. Mentale bijhouden van waar materiaal is gedeponeerd en waar niet, is uitdagend."

Het incorporeren van additieve in elk productieproces creëert meerdere issues, zei Granata. "Een fout in plannen en sequentiëren van NC-operaties kan machinecomponenten, additieve apparatuur, of het onderdeel beschadigen. Simulatie verwijdert gokwerk en minimaliseert risico, door te tonen hoe onderdelen gemaakt zullen worden en de exacte representatie van het onderdeel doorheen het proces." De Vericut Additieve module simuleert zowel additieve als traditionele bewerkingsmogelijkheden die in elke volgorde op hybride machines worden gebruikt. "Het simuleren van alle operaties kan potentiële problemen identificeren die kunnen optreden bij het integreren van additieve methoden. De gebruiker kan toegang krijgen tot een gedetailleerde 'geschiedenis' opgeslagen met Vericut's realistische druppeltechnologie, wat programmeurs tijd bespaart door te identificeren wanneer onderdeelkenmerken bewerkt zijn en de bron van fouten, in de meeste gevallen, met slechts een enkele muisklik."

Deze additieve capaciteit controleert nauwkeurige lasercladding en materiaaldepositie, detecteert botsingen tussen de machine en het additieve onderdeel, en vindt fouten, gaten en verkeerd geplaatste materialen, merkte Granata op. "Voor de hoogste nauwkeurigheid, simuleert Vericut dezelfde na-verwerkte NC-code die gebruikt zal worden om de CNC-machine aan te sturen en waarborgt correct gebruik van AM-functies en laserparameters. Gebruikers kunnen virtueel experimenteren met het combineren van additieve en metaalverwijderingsprocessen in elke volgorde om optimale veilige hybride productiemethoden te bepalen."