新的 CAD/CAM 编程和仿真软件如何帮助解决增材制造工艺问题。
在制造领域，增材制造 (AM) 工艺仍然是新兴事物。尽管增材制造已经存在了几十年，但直到最近，它才主要用于原型设计应用和短期生产使用。然而，随着较新的金属增材工艺的出现，增材制造的潜力已显着扩大。它已经从被视为一项有趣的技术延伸到一种更现实的生产过程，现在被通用电气和洛克希德等主要制造商更广泛地用于制造飞机发动机和其他关键任务部件和组件的金属增材制造零件。随着 AM 流程变得越来越流行，新的 CAD/CAM 编程软件和相关模拟包正在解决增材制造逐层流程的一些问题，添加具有 g 的增材工作流程工具为制造商提供衍生设计和更广泛的 3D 可视化和拓扑优化技术。其中许多新软件包还旨在帮助制造商使用新型混合增材/减材机床。
化不可能为可能
金属沉积AM技术使用 DP Technology 的新 Esprit Additive 软件在 Mazak Integrex 增材多任务机器上创建金属部件。新增材解决方案的主要目标之一是生成大大改进的设计。增材制造中的 CAD/CAM 编程可以让产品开发工程师更轻松地设计以前被认为无法制造的零件。 “Autodesk 已经为增材制造构建了一个完整的端到端工作流程，从设计优化到构建准备n，模拟和后期制作，帮助设计师和工程师从原型制作转向批量生产，”Autodesk Inc.（加利福尼亚州圣拉斐尔）增材制造和复合材料业务发展和战略部门的 Duann Scott 说。 “我们现在正在添加衍生式设计，让设计师能够以前所未有的方式探索和实现 [增材制造] 的全部潜力。”
增材制造在批量生产方面的新功能是一项关键发展，Scott 指出. “随着行业随着新材料和新工艺的发展而发展，随着低成本机器和材料进入市场，用例将从小型、复杂和/或定制零件扩展到大型零件，”他补充道。 “随着关键专利到期，我们已经看到硬件成本急剧下降，首先是在聚合物领域，FDM [熔融沉积建模] 机器从 40,000 美元下降到 400 美元，然后 SLA [立体光刻设备] 机器从类似价格下降到 3000 美元，并且现在SLS[选择性激光烧结] 机器从 150,000 美元降到 10,000 美元。我们现在看到了一波新的增材金属工艺浪潮。以前安装一台机器需要花费 100 万美元，而现在购买新机器大约需要 100,000 美元。生产零件所需投资的大幅减少将极大地拓宽目前相对较小的市场。”
为 AM 流程的软件添加生成设计功能将为设计师带来巨大优势，Scott 争辩说。 “衍生式设计让设计师和工程师能够根据设计约束和制造流程探索解决方案，而传统 CAD 软件无法构想或执行这些解决方案，”他说。 “不仅仅是拓扑优化，它采用现有几何结构并基于 FEA [有限元分析] 求解器将质量减少到单个优化设计，生成设计创建基于多个对象的几何解决方案ives和多个制造过程，以提供多种解决方案。然后可以迭代这些解决方案以进一步细化几何形状，然后可以按原样制造或用作指南，以根据他们提供的解决方案告知设计师的设计方法。”
由于在 Autodesk 的 Netfabb 2018 增材软件中添加了设计功能，Stanley Black & Decker 使用 Autodesk 的创成式设计创建的压接工具比早期版本轻了约 60%。明年年初，Autodesk 将发布其 Netfabb 2018 添加剂/3D 打印软件的下一版本，目前处于 Beta 测试阶段，它将添加新功能，包括生成设计功能。 “传统减材工艺与增材制造之间的联系我这两者都需要深入了解特定的机器和材料组合，以创建最佳的机器控制来满足设计工程师的要求，”Scott 说。 “对于大多数金属增材制造零件来说，在打印后进行减法加工也很重要，以确保与组件中其他零件接触的零件的表面质量和公差。”他补充说，Autodesk 正在提供完整的工作流程，以将相同的 CAD 文件用于增材和基本的减材后处理。
“在制造工作流程中组合单独的流程，例如增材和减材通常涉及多个步骤，通常在不同的机器上。这需要准确和自动化。有一个数字流程线程，从设计和工程意图开始，模拟流程中每个步骤应该发生的事情——你需要建立在原始数据的基础上，”Scott 说。 “您还必须监控进度在现实世界中，使用检查和自适应或反馈回路来检测和补偿变化。这些流程也需要联合起来。”
去年秋天，Siemens PLM Software（德克萨斯州普莱诺）宣布了其“使用 NX 的增材制造”解决方案，并于今年年初添加了 Siemens Part Manufacturing Platform ，一项旨在匹配添加剂成分买家和卖家的在线协作服务。 4 月，Siemens AG（慕尼黑）旗下的软件开发商还宣布与长期增材/3D 打印软件供应商 Materialise NV（比利时鲁汶）建立广泛的技术合作伙伴关系，在该合作伙伴关系下，Materialise Magics 3D Print Suite AM 软件将完全集成使用西门子的 NX 软件。这一组合带来了 Materialise 的专业知识和 Siemens PLM 的 NX 核心 CAD/CAM/CAE 优势，包括广泛的设计能力和基于仿真的优化工具，高级总监 Aaron Frankel 指出，marketing，制造工程软件，Siemens PLM。
新的 Siemens NX 生成设计和仿真技术可生成具有针对性能和重量的拓扑优化形状的重新构想部件。左侧的零件专为常规加工而设计。右侧的有机形状部件针对 3D 打印进行了优化，质量和强度均有所降低。西门子的增材战略具有三大支柱，首先是使用 NX 进行增材制造，其中包括该公司的 NX 和 Teamcenter PLM 产品，Andreas 指出Saar，Siemens PLM 制造工程集团副总裁。 “这就是我们所说的数字链和走向未来的核心，”萨尔说。西门子将发布三到六个月的软件更新，包括新的 printer 接口与许多增材制造商合作，包括 EOS、Stratasys、DMG Mori、HP 和其他公司，他说。
“我们的目的是将增材技术推向工业阶段，”Saar 说，将 Materialise 集成到西门子的大型 NX 工业安装基地。一个例子是 GE，它使用添加剂生产飞机发动机的大型喷嘴。 “有一个由设计和仿真工程师组成的小组，大约 20-30 人，他们实现了这一目标，那里可能有 4000 名设计工程师。我们的目标是大大扩展它。我们在通用汽车有 10,000 个设计座椅。这些人必须重新考虑增材制造。”
“我们在市场上看到的是大中型公司正在创建增材制造工作组以了解这项技术，”Frankel 说。 “学习曲线很大。公司正在采用各种不同的技术，看看哪些技术行得通，但这种临时环境不会改变规模。公司需要端到端的解决方案，他们需要能够使用单一解决方案管理数据和流程。”
混合增材加工的兴起
许多较新的 CAD/CAM 增材制造解决方案侧重于对最新的混合增材/减材机床进行编程或仿真，包括来自 DMG Mori 和 Mazak 的条目。由于 AM 部件几乎不是最终形状并且需要中等到广泛的精加工，因此混合是许多机床用户的实用方法。混合动力机器虽然价格昂贵，但最近变得更加实惠。
西门子的战略旨在支持所有 AM 机器，尤其是来自该公司的一些合作伙伴（例如 DMG Mori 和 Mazak）的混合动力装置。 “我们支持现有的解决方案，例如直接能量沉积、激光束焊接和动力床熔合，”Siemens PLM 的 Frankel 说。在这些技术中，Saar 说最常见的是粉末床融合，而西门子支持与 HP 较新的 Multi-Jet Fusion 相比，它使用带喷嘴的 2D 打印机。该机器具有 3D 体素技术，可以只打印一种颜色，但可以打印多种颜色。 “未来是非常可扩展的，”萨尔说。
AM 工艺使用直接金属沉积显示在增材解决方案中，正在评估 Vero Software 未来发布的 Edgecam CAD/CAM 软件。混合机器对许多 CAD/战略产品总监 Raf Lobato 表示，CAM 开发商和 Vero Software（英国雷丁）计划在未来发布混合增材加工模块，可能在明年 4 月左右，用于其 Edgecam 和其他 CAM 软件。他指出，直接能量沉积、修复、生长特征和包覆都是此类软件的重点领域。 “为了获得大多数是添加剂，它不能真正独立存在； “添加”区域有时需要通过减材来准备，最后，在材料添加之后，通常需要通过减材来完成，”Lobato 说。
需要更多的研究来改进许多增材工艺，他著名的。 “他们实际上还不知道如何有效地添加材料，”洛巴托在描述直接能量沉积时说。 “当你向一个组件添加一些材料时，它并不是完美的。”沉积的材料不接近近净形状，需要减材精加工工艺来完成零件。 “好消息是，测试表明，在某些情况下，在此过程中沉积的添加剂材料比基础材料更硬，”Lobato 说，在此类熔覆操作中，这些金属部件中添加了接近 100% 的致密金属。
在一个例子中，修理飞机涡轮叶片需要从零件上切下一块 V 形材料，而不是仅仅在刀片上有裂缝的地方添加金属。 “你可以再次看到需要减法操作的地方，”Lobato 说，并同意有时需要减法和加法过程才能完成这项工作。 “这是我们的信念。此外，这将需要很长时间——添加材料并不快。”
技术的改进，包括软件和硬件，加上速度、灵活性，当然还有成本，对于添加剂的增长至关重要，洛巴托说。 “我们参与了 Kraken 项目，/technologies/articles/2017/09---september/car-break-disc-2-300x212.jpg” width ="" height="" />在 hyperMill CAD/CAM 软件中模拟的汽车制动盘，该软件目前侧重于为基于激光的金属沉积工艺提供增材编程支持。
在 Open Mind Technologies USA Inc.（马萨诸塞州尼德姆） , hyperMill CAD/CAM 软件开发商再说，该公司有能力使用特定添加剂模块支持 AM 工艺，这是 hyperMill 中的一个选项，董事总经理 Alan Levine 指出。 Levine 补充说，Open Mind 从事增材加工已有近 10 年。 “我们的重点是为基于激光的金属沉积工艺提供编程支持。这项工作与我们先进的五轴重点一致，并包括来自我们客户群的反馈。今天，我们正在与机器合作伙伴和主要最终用户合作开展项目，并实施和确认新技术。我们的流程与 hyperMill 的持续发展保持一致，hyperMill 是我们的减材加工套件，因此这项工作得到简化，可以在我们当前的方法中优雅地完成。”
尽管增材粉床机可能包含更大的部分在当今市场中，Open Mind 的重点是激光沉积，应用于构建新零件（通常使用五轴机器）以及模具维护和维修根据莱文的说法，死亡和能量。 “激光沉积工艺通常不需要工艺内结构来支撑稍后必须去除的悬垂物，”Levine 说。 “此外，激光沉积非常适合混合加工。”
大约一年前，Open Mind 添加了来自其合作伙伴和组件模块开发商 MachineWorks（英国谢菲尔德）的添加剂新模拟支持。 “我们的增材工艺软件开发基于我们的经验以及与主要用户和机器合作伙伴的合作。今天制造的各种零件导致对软件和流程工作流程的改进。增材处理的基本要求——关于填充和边界路径、控制起点和激光触发器——已经在软件中实现，”Levine 说。 “碰撞检查程序也需要特别注意，因为工件模型在不断增长，而且沉积热ds 需要特定的焦距才能进行适当的粉末沉积。”
模拟 NC 和增材工艺
与任何制造工艺一样，准确模拟金属切削和金属成型运动对于确保制造质量和安全性至关重要工具、夹具和机床。直到最近，模拟软件解决方案还很少能够充分可视化增材制造过程。
在匹兹堡的 Rapid/TCT 展会上，最新的 Vericut 8.1 版 NC 模拟、验证和优化软件引入了新功能，用于模拟增材和CGTech（欧文，加利福尼亚州）的 Vericut 产品经理 Gene Granata 说，混合制造操作以及在研磨时连续修整。 “这些新方法可以按任何顺序、任何传统切削方法 [例如铣削、车削和五轴加工] 以及几乎任何品牌的数控机床使用。新软件还增强了 workpi 的切片功能ece、X-Caliper 测量工具、强制刀具路径优化和设置报告以自动记录制造过程。
Vericut 的新增材模块中的仿真显示了 DMG Mori Lasertec 65 3D 混合机器上的增材制造工艺。“增材制造的诱惑给设计师和设计师带来了许多独特的挑战NC 程序员，”他继续说道。 “人们正在重新训练自己以不同的方式思考、设计和编程零件，以尽可能高效地制造出优质的产品。 Vericut 等仿真软件是 NC 程序员的宝贵工具，可以按照使用的顺序可视化和验证每个过程，比较制造策略，并防止发生代价高昂的事故或损坏机器、工具和产品正在制作的艺术。”他补充说，混合动力机器通常很昂贵，而且在特定公司通常供应有限。激光和其他增材设备的维修零件或技术人员也很难找到。 “仿真软件提供了一种经济高效的保障措施，可以在潜在问题发生之前将其缓解。”
寻找新的方法来对通过增材工艺生产的零件进行编程对 NC 程序员提出了新的挑战。 Granata 指出：“可以选择使用加法、减法或混合方法通常会促使程序员跳出他们之前的‘舒适区’，去做以前认为不可能的事情。” “新的增材制造设计 [DFAM] 和增材 NC 编程功能似乎出现在每个新的 CAD/CAM 版本中。虽然这些增强功能旨在为附加 NC 程序员提供更多选项，但这也增加了学习曲线。精神上跟踪材料被删除的地方Granata 说： “NC 操作的规划和排序错误可能会损坏机器部件、增材设备或零件。仿真消除了猜测并将风险降至最低，显示了零件的制造方式以及整个过程中零件的精确表示。” Vericut Additive 模块模拟混合机器上任何订单中使用的增材和传统加工功能。 “模拟所有操作可以识别在集成增材方法时可能出现的潜在问题。用户可以访问使用 Vericut 逼真的液滴技术存储的详细“历史记录”，通过识别零件特征的加工时间和错误来源来节省程序员的时间，在大多数情况下，只需单击一次鼠标即可。”
此附加功能可检查准确的激光熔覆层Granata 指出，ng 和材料沉积，检测机器和附加部件之间的碰撞，并发现错误、空隙和错放的材料。 “为了获得最高的精度，Vericut 模拟了将用于驱动 CNC 机器的相同后处理 NC 代码，并确保正确使用 AM 功能和激光参数。用户可以虚拟地试验以任何顺序组合增材和金属去除工艺，以确定最佳的安全混合制造方法。”
