Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции». Часть 4. Симуляция и основы применения аддитивных технологий

Симуляция

Когда перед предприятием стоит задача сокращения времени разработки и производства нового изделия, то задержка на каждом этапе создания продукта рассматривается как ограничивающий фактор, требующий устранения.

До того как изделие будет готово к запуску в производство, необходимо реализовать несколько циклов изготовления опытных образцов, испытаний и контроля качества изделий и коррекции конструкторской документации. Все эти циклы занимают длительное время и приводят к значительным затратам, влияющим на себестоимость конечной продукции.

Одним из наиболее перспективных направлений сокращения количества таких итераций является развитие технологий виртуальной (цифровой) симуляции физических процессов. Моделирование может быть применено как к испытаниям изделия, так и к технологическим процессам.

Для сокращения количества циклов испытаний необходимо иметь цифровую модель изделия или отдельного компонента, описывающую физические свойства объекта. Также необходимо иметь аналитический инструмент, позволяющий обеспечить максимально реалистичное моделирование физических процессов по отношению к объекту. Качественная симуляция на основе цифровой модели позволяет свести к минимуму исследования и испытания физического объекта. Ключевые разработчики систем автоматизированного проектирования предлагают инструменты такого моделирования и постоянно работают над увеличением их функциональных возможностей.

Другим направлением развития технологий симуляции является моделирование технологических процессов. Данный функционал предполагает возможность анализа технологических операций, в первую очередь, с точки зрения качества, производительности и себестоимости. В дополнение к цифровой модели объекта могут потребоваться модели оборудования и оснастки. Реализация моделирования технологических процессов возможна только при непосредственном участии производителей технологического оборудования, что можно наблюдать уже сегодня.

Как известно, огромное количество проблем, связанных с изготовлением продукции, «программируется» на стадии разработки. Для того чтобы минимизировать такие технологические проблемы, существует направление в проектировании, которое называется ещё одним термином, не имеющим перевода на русский, – Design for Manufacturability или сокращенно DFM. Если попробовать коротко перевести на русский, сохранив смысл, то получим что-то похожее на «проектирование, направленное на то, чтобы продукт можно было произвести». А так как русский язык в подобных случаях не такой ёмкий, как английский, то в России чаще можно встретить просто DFM.

DFM представляет собой набор правил, принципов, требований и ограничений, которыми стоит руководствоваться разработчикам, чтобы минимизировать проблемы на этапе производства изделия либо минимизировать себестоимость изделия.

Так вот, симулирование технологических процессов активно применяется на стадии разработки, в первую очередь, для автоматизации анализа соответствия проекта требованиям DFM. Обычно это описывается термином «автоматический DFM-анализ».

Тема симуляции производственных и физических процессов тесно связана с технологиями виртуальной и дополненной реальности, так как при симуляции могут быть использованы те же цифровые модели.

Инструменты моделирования физических процессов

Компания Autodesk Inc. – мировой лидер в области поставки программного обеспечения для проектирования. Одним из наиболее известных её продуктов является используемая во всём мире система автоматического проектирования AutoCAD.

Сегодня компания предлагает широкий набор решений для моделирования физических процессов, в том числе инструменты для моделирования механических воздействий, процессов литья пластиков под давлением, эксплуатационных свойств композитных материалов и изделий из них, расчёта потоков жидкостей, анализа строительных конструкций.

Набор инструментов для моделирования Autodesk позволяет в отношении отдельных проектов оценить физические свойства конечного продукта, смоделировать отдельные технологические процессы и автоматизировать DFM-анализ.

Результат аэродинамической симуляции с помощью программного обеспечения Autodesk Flow Design

Например, при проектировании изделий из пластмасс модуль автоматического DFM-анализа Simulation DFM с помощью индикации по принципу светофора (зелёный / жёлтый / красный) отображает в реальном времени влияние вносимых изменений на технологичность, стоимость изделий и их экологичность, то есть расход материалов и энергозатраты на производство.

Благодаря тому, что этот функционал интегрируется в систему автоматизированного проектирования, конструктор может оптимизировать проект и оценить свойства конечного продукта до начала производства.

Аддитивные технологии

Сегодня сложно найти человека, который бы ничего не слышал о трёхмерной печати, аддитивных технологиях или аддитивном производстве (АП).

Невозможно переоценить те изменения в производственном процессе и, как следствие, во всей промышленной инфраструктуре, которые повлечёт за собой массовое применение аддитивных технологий. А всё к этому идёт.

Всемирно известный итальянский скульптор Микеланджело Буонарроти на вопрос о том, как он делает свои скульптуры, ответил: «Я беру камень и отсекаю всё лишнее». Этот принцип лежит в основе огромного числа технологических операций, где путём многократной механической обработки заготовок получается конечное изделие.

Термин «аддитивные» происходит от английского глагола to add, что значит «добавлять». В отличие от традиционного метода, описанного ранее, изделие или деталь формируется не удалением лишнего материала, а поэтапным (чаще всего послойным) наращиванием (добавлением) материалов на основе цифровой модели с помощью соответствующего оборудования. Часто это оборудование называют «3D-принтер», но данный термин в общемировой практике относится скорее к недорогим любительским системам.

В отношении промышленного оборудования чаще всего используется название «оборудование для аддитивного производства» (ОАП).

Применение аддитивных технологий обладает широким рядом выгод по отношению к технологиям, основанным на удалении материала, в частности, методом механической обработки.

• Уменьшенное энергопотребление

Аддитивные технологии позволяют сократить энергозатраты за счёт сокращения количества технологических операций, минимизации количества израсходованных материалов и создания легковесных изделий.

• Уменьшенное количество отходов производства

Послойное создание изделия позволяет сократить расход материалов в отдельных случаях до 90% по сравнению с традиционными технологиями механической обработки, при применении которых огромное количество материала обрезается и утилизируется. Экономию на дорогостоящем инструменте также не стоит забывать.

• Сокращение времени изготовления изделия

Для изготовления изделий с помощью аддитивных технологий, как правило, не требуется наличие оснастки и прототипов. Поэтому деталь или изделие могут быть изготовлены непосредственно после подготовки цифровой модели, что существенно сокращает срок производства и прототипирования.

• Новые возможности для разработки

Трехмерная печать помогает реализовать более сложную геометрию изделий, реализация которой ранее была крайне неэффективной. Это открывает новые горизонты творчества для разработчиков.

• Объединение деталей

Возможность изготовления деталей более сложной формы позволяет сократить количество отдельных деталей, необходимых для производства конечного изделия. Это позволяет снизить затраты на выполнение избыточных технологических и вспомогательных операций, а также упростить процесс производственного планирования и контроля качества.

• Облегчение веса изделий

За счёт возможности получения более сложной геометрии изделий стало возможным обеспечение тех же свойств изделий, что и ранее, но при меньшем расходе материалов и весе изделия.

• Гибкость производственных операций

Аддитивные технологии открывают уникальные возможности в области реагирования на изменение спроса. Во-первых, намного легче обеспечить изготовление изделий с учётом персональных потребностей заказчика. Во-вторых, можно это сделать максимально близко к заказчику в рамках, например, мобильной минифабрики, оснащенной минимальным количеством оборудования.

Основные применения

Первая коммерчески применимая технология трёхмерной печати, стереолитография (SLA), была представлена 1983 году. Изначально основной акцент делался на решение задач прототипирования. Однако благодаря разработке новых технологий, созданию новых материалов и снижению себестоимости трёхмерной печати удалось обеспечить применимость аддитивных технологий в более широком диапазоне задач.

Примеры промышленного применения аддитивных технологий (данные по состоянию на март 2016)

Согласно данным на 2016 год, основными применениями в промышленности являются изготовление функциональных изделий, прототипов, литьевых форм и оснастки и образцов для визуализации концепции будущих изделий.

Особенно я хотел бы обратить внимание на тот факт, что основной сферой применения являются не прототипы, а изготовление функциональных изделий. Это свидетельствует о том, что аддитивное производство перестало быть вспомогательным направлением, а стало основой, на которой может быть выстроен производственный процесс.

Особенности разработки изделий для аддитивного производства

Самый главный принцип, которым стоит руководствоваться при переводе изделий с традиционных технологий на аддитивное производство, это то, что они не должны быть точной копией изделий, которые ранее получались с помощью механической обработки либо другими способами.

Аддитивные технологии несут в себе огромный потенциал улучшения конструкции и свойств продукции, который надо использовать. Если руководствоваться прежними подходами к конструированию, то этот потенциал не будет реализован. Типовой процесс разработки изделий для аддитивного производства и его отличия от типовой разработки изделий, получаемых механической обработкой, представлен на рисунке ниже. Такой алгоритм применим к разработке большинства промышленных изделий. В зависимости от специфики технологии или изделия он может в той или иной мере видоизменяться. Но в любом случае представленная схема даёт общее представление о процессе разработки и подготовки данных для начала процесса формирования объекта в оборудовании для аддитивного производства.

В контексте разработки изделий хотелось бы чуть более подробно рассказать об особых направлениях в разработке изделий, которые получили сильный импульс к развитию благодаря массовому переходу на технологии аддитивного производства. Речь пойдёт о бионическом дизайне, оптимизации топологии и формировании решетчатых структур.

Типовой процесс разработки изделия для аддитивного производства

Все эти три направления нацелены на совершенствование физикомеханических характеристик изделия на основе различных принципов, которые иногда дают весьма похожий результат.

Бионический или генеративный дизайн

Как следует из названия, этот подход к разработке изделий имеет родственные связи с бионикой – наукой, изучающей возможности применения в технических устройствах достижений эволюции живой природы.

Отличным примером идеи из живого мира, которую можно применить в технике, служит структура кости млекопитающего, которая имеет пористую структуру, облегчающую массу, и при этом высокие механические характеристики. Другой близкий по сути пример – это лист виктории амазонской, водяного растения, лист которой в состоянии выдерживать вес человека.

Структура кости млекопитающего (а) и механические свойства скелета (б)

Лист виктории амазонской (а) и вид снизу (б)

Я не хочу рассказывать про более специализированные идеи, такие как устройство когтей птиц, которые берутся за основу при разработке механических захватывающих устройств, и подобные варианты. Я бы хотел сфокусироваться на более универсальных идеях, применение которых носит массовый характер.

Перечисленные примеры с костью и листом являются отражением принципов, которые сейчас активно применяются при разработке изделий для аддитивного производства. В ряде отраслей снижение массы изделия является ключевым фактором. К числу таких отраслей относятся, в частности, транспортное машиностроение, авиакосмическое машиностроение, протезирование.

Мотоцикл Light Rider компании APWorks (входит в Airbus Group). Элементы рамы изготовлены из металла с помощью аддитивных технологий на основе принципов бионического дизайна. Рама мотоцикла весит всего 6 кг

Оптимизация топологии

В более общем виде приведённые выше примеры бионического дизайна можно отнести к технологиям оптимизации топологии изделия. Данный принцип разработки изделий базируется на математических алгоритмах, которые позволяют найти оптимальный вариант исполнения изделия с учётом требуемых физических характеристик и других ограничений. В результате геометрия изделий выглядит близкой к бионическому дизайну, хотя ничего общего с живой природой изначально разработчиком изделия не предполагается. Частично это объясняется тем, что принципы бионики часто становятся основой для разработки новых алгоритмов оптимизации геометрии изделий.

Формирование решетчатой структуры

Другим направлением по оптимизации массы, физических и функциональных характеристик изделия является формирование относительно регулярной решетчатой структуры.

Тазобедренный имплантат MUGETO со встроенными полостями для депо лекарственного средства и решётчатой структурой для снижения массы и улучшения остеоинтеграции

Специально для создания таких изделий данной топологии существуют специализированные программные инструменты.

Разработка изделия с решётчатой структурой и его анализ с помощью Autodesk Within

Как вы успели заметить, многие из принципов разработки изделий, актуальных для аддитивного производства, не поддерживаются старыми средствами разработки. Для того чтобы полностью оценить плюсы новых технологий, требуется соответствующий инструментарий.

Описанные подходы позволяют обеспечить массу преимуществ, которые выливаются в снижение себестоимости продукции и существенное улучшение потребительских свойств изделий.

Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции»:

Часть 1. Предпосылки системных изменений

Часть 2. Технологическая основа новой промышленной революции

Часть 3. Дополненная и виртуальная реальность

Часть 4. Симуляция и основы применения аддитивных технологий

Часть 5. Аддитивные технологии: изготовление изделий, постобработка, контроль качества, временные сложности

Часть 6. Горизонтальная и вертикальная интеграция, промышленный Интернет вещей

Часть 7. Облачные технологии и информационная безопасность

Часть 8. Тотальная цифровизация

Часть 9. Развитие аналитических систем

Часть 10. Умные продуктово-сервисные системы

Часть 11. Логистика 4.0

Часть 12. Умное производственное оборудование

Часть 13. Умное производственное оборудование. Продолжение

Часть 14. Эффект от внедрения новых технологий

Часть 15. Преграды на пути прогресса

Часть 16. Умные технологии и люди