Autodesk Netfabb. Комплексное решение для аддитивного производства

Причем среди этих инструментов есть не только те, которые изначально родились в лабораториях Autodesk.Наблюдая за потребностями отрасли и стремясь предоставлять своим пользователям только лучшие решения, Autodesk в некоторых случаях не изобретает велосипед, а приобретает готовые, надежные, лидирующие на рынке и уже зарекомендовавшие себя у пользователей инструменты других разработчиков и затем постепенно интегрирует их в свое портфолио, давая им новый мощный импульс к дальнейшему развитию. Чего стоят только такие имена, как Moldflow, Nastran, Delcam, Netfabb.

Autodesk не обошла вниманием молодую и стремительно развивающуюся область аддитивных технологий производства. В портфолио решений Autodesk для этой области появился мощный комплексный инструмент «всё в одном» — Autodesk Netfabb. В этой статье будет рассмотрен весь спектр непростых вопросов, встающих перед компаниями, открывающими для себя аддитивные технологии, и широкий набор ответов, которые может дать своим пользователям новое решение компании Autodesk.

«Зоны ответственности» Autodesk Netfabb

Сегодня инструменты Autodesk Netfabb могут использоваться на всех ключевых этапах процесса подготовки аддитивного производства — от выхода модели из САПР и до входа файла модели в 3D-принтер. Стоит отметить, что Netfabb был приобретен компанией Autodesk относительно недавно и не всегда обладал таким широким спектром функционала. Но за последние несколько лет продукт значительно вырос, дополнился целым рядом новых технологий и стал мощнейшим комплексным решением в области аддитивных технологий.

Функционал современного Autodesk Netfabb можно условно поделить на 5 основных зон:

•  Создание (или импорт) модели, исправление сетки (при необходимости) и доработка после САПР.
• Оптимизация детали под аддитивное производство — с точки зрения соотношения массы/объема/прочности/технологичности. Также на этом этапе деталь может приобрести новые свойства, иногда неожиданные — например, упругость, пористость, теплопроводность, гигроскопичность и другие.
• Подготовка модели к печати — создание системы поддержек для нависающих частей геометрии, пакование множества деталей в рабочее поле принтера для одновременной печати, «слайсинг» («расслоёвка») моделей и др.
• Цифровой анализ детали и виртуальная имитация процессов печати из металлов для предсказания и исключения возможных ошибок.
• Завершающая и/или предварительная обработка детали. Это доработка детали (сверлением, фрезерованием), удаление временных структур и поддержек, температурная или химическая обработка, зачистка и полировка поверхностей, выходной инструментальный контроль.

Рассмотрим эти этапы последовательно.

Создание

Для пользователя Autodesk Netfabb этот этап чаще всего начинается с импорта модели из САПР. Здесь неоценимую помощь ему окажет возможность прямого импорта данных из самых распространенных САПР других производителей (SolidWorks, Catia, NX, Creo и др.) и поддержка широкого набора нейтральных форматов файлов — как триангулированных (например, STL, OBJ, 3DS и др.), так и поверхностных (STEP, SAT, IGES и др.). Кроме того, поддерживается широкий набор форматов распространенных 3D­принтеров для передачи моделей уже после так называемого «слайсинга» («расслоёвки»).

Благодаря широким возможностям импорта в различных форматах пользователям Netfabb не придется тратиться на приобретение дополнительных лицензий САПР или конверторов сторонних производителей.

Модели в виде триангулированных сеток наиболее широко распространены в области подготовки моделей к трехмерной печати. Самый распространенный формат здесь — STL. Его поддерживает практически каждая программа, более или менее связанная с 3D. Обратной стороной широкой популярности этого формата является то, что каждая программа понимает его немного по-своему. Это ведет к тому, что при передаче моделей из одной системы в другую в них могут накапливаться различные ошибки. Например, отверстия в оболочках модели, вывернутые нормали отдельных граней, наложения граней и др. Если их не устранить, они вполне могут привести к ошибкам или даже невозможности печати модели.

В Netfabb есть широкий набор инструментов исправления каждой такой ошибки. Их можно использовать не только вручную, но и в автоматическом режиме, что гораздо быстрее. Достаточно загрузить модель и выбрать нужный скрипт исправления. Система сама «вылечит» модель от всех известных «болячек» в течение нескольких секунд. Причем о том, что модель нуждается в исправлении, Netfabb предупредит вас заранее, отметив ее специальным значком еще в диалоговом окне открытия файла. Более того, возможно автоматическое пакетное исправление сразу группы одновременно открываемых файлов.

Оптимизация

Функционал оптимизации деталей Netfabb позволяет превращать обычные САПР-модели в облегченную систему из оболочек и внутренней решетчатой структуры переменной плотности при сохранении необходимой прочности. Детали в этом случае могут быть оптимизированы по массе, объему, прочности, технологичности и по еще целому ряду характеристик. Конструктор может даже изменить свойства самого материала печати как для всей модели, так и для отдельных ее участков. Например, можно создавать на металлической или полимерной детали пористые участки и гладкие, упругие и жесткие, причем упругость может быть анизотропной (неравной по разным осям). Перечислять возможные области применения утилиты оптимизации Netfabb можно долго, и перечень все равно не будет полным, так как пользователи Netfabb постоянно открывают все новые и новые. Но основным преимуществом, безусловно, останется снижение массы детали при сохранении необходимой надежности под заданными нагрузками.

Работает утилита под управлением решателя Autodesk Nastran, что, согласитесь, внушает доверие к результатам. Типовой процесс оптимизации представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Оптимизация структуры крепежного элемента

Это позволяет быстро получать сложнейшие детали с удивительными свойствами, в том числе с необычной эстетикой. На рисунке 2 можно увидеть пористую структуру костного имплантата и произведение искусства от Sarat Babu, Richard Beckett и Vasilis Chlorokostas.

Рис. 2. Проект Sarat Babu, Richard Beckett и Vasilis Chlorokostas

Netfabb уже «из коробки» поддерживает множество различных типов заполняющих структур. Кроме них в Netfabb можно создавать и свои собственные типы. Для этого в комплекте есть специальный удобный и интуитивно понятный редактор.

Рассмотрим еще один метод оптимизации деталей. Это так называемое «порождающее моделирование» (его еще называют оптимизацией топологии детали или Generative Design). При использовании этой технологии программа сама создает форму детали, исходя из заданных человеком пространственных и нагрузочных условий. В портфеле решений Autodesk этот функционал появился уже относительно давно. Раньше он назывался «проект DreamCatcher». Также упрощенный функционал порождающего моделирования уже давно входит в состав системы трехмерного проектирования Autodesk Inventor Professional. Недавно этот функционал пришел и в Autodesk Netfabb*.

Autodesk Netfabb, оснащенный технологией оптимизации топологии, самостоятельно создает для конструктора форму детали под заданные им условия её функционирования. Причем делает это так, как никогда не пришло бы в голову самому человеку. Детали, которые получаются в результате, не только максимально эффективны, но часто обладают и красивейшими бионическими формами, напоминающими костную структуру животных. Дикий, природный, «порождающий» дизайн (рис. 3).

Рис. 3. Примеры сгенерированных компьютером форм изделий

Почему функционал порождающего проектирования Dream-Catcher перенесен именно в Netfabb — решение для аддитивного производства? Очевидно, что такие формы просто невозможно произвести средствами обычного традиционного производства. Ни один суперсовременный фрезерный станок с ЧПУ не справится с такой сложной деталью, будь в нем хоть десятки управляемых осей. Здесь применима только трехмерная печать, которая может произвести эту надежную и одновременно легкую деталь за одну операцию. И вся уникальная форма детали при этом будет ориентирована на поддержание прочности — каждый кубический сантиметр материала будет расположен там, где он необходим для обеспечения безопасности конструкции. Ни одного лишнего грамма.

Подготовка

Продолжим рассказ про Netfabb и рассмотрим область его функционала, связанную с непосредственной подготовкой уже готовой модели к печати на аддитивном оборудовании.

Начнем с совершенно необходимого. Структура поддержек для частей детали, которые нависают над платформой, не имея снизу уже пропечатанного материала. Чтобы эти части во время печати не отвалились или не покоробили всю модель, под ними создаются временные, тонкие и легко удаляемые после производства структуры — так называемые «поддержки» (рис. 4). В Netfabb они в большинстве случаев создаются автоматически. Хотя, конечно, инструменты ручного их создания и редактирования тоже предусмотрены. Поддержки бывают разных типов: прямые, ветвящиеся, древовидные, стеночные, объемные и комбинированные.

Рис. 4. 3D-модели деталей с поддержками

Кроме того, Netfabb даже может сам предложить пользователю оптимальные варианты ориентации детали при печати, исходя из соотношения объема поддержек, общей поддерживаемой площади и общего времени печати. Пользователю останется только выбрать наиболее подходящий вариант ориентации из списка, предложенного системой.

Каждая операция печати — длительный и дорогой процесс. Поэтому очень важно «упаковать» в одну операцию максимально возможное количество деталей, сэкономив не только время, но и материалы. Инструменты Netfabb для автоматического пакования деталей в рабочее пространство принтера позволяют размещать детали с высочайшей плотностью, недостижимой в случае ручного расположения. Причем Netfabb делает это несравнимо быстрее человека — за считанные секунды.

Для этого могут использоваться различные алгоритмы пакования: плоские, трехмерные, контурные. Для технологий печати, не требующих поддержек, можно располагать детали друг над другом. При трехмерном размещении Netfabb будет следить даже за тем, чтобы детали не сцепились и не переплелись между собой. Вокруг групп мелких деталей можно автоматически генерировать временные легкие коробки, чтобы детали при извлечении не растерялись.

В Netfabb встроена также обширная библиотека оборудования, что позволяет при подготовке печати учитывать параметры и специфику конкретной машины. Если же вы не найдете в ней своего принтера, вы сможете задать его параметры вручную.

Анализ

Каждому, кто сталкивался с трехмерной печатью, знакомы эти проблемы:

• Множество неудачных попыток печати требует огромных затрат времени!
•  Иногда даже после успешной печати вдруг выясняется, что был выбран слишком хрупкий материал для таких тонких стенок детали.
• В процессе проб и ошибок требуется постоянная подстройка моделей, чтобы они наконец напечатались как надо!
• Приходится всё и всегда печатать по несколько раз, чтобы получилось хорошо.

И самое обидное здесь заключается в том, что все эти ошибки чаще всего выявляются слишком поздно. То есть когда вы уже потратили деньги, время и материалы.

Аддитивное производство — область достаточно тонкая, и высокого качества результата она позволяет добиться только после серьезной оптимизации процесса. Без применения средств цифрового анализа и имитации процессов печати обычно это требует до десятка и более пробных попыток печати, каждая из которых не только длительна, но и очень затратна. В некоторых случаях стоимость каждой попытки может достигать десятков тысяч долларов. Большая аддитивная машина может производить сотни деталей за один цикл построения (а это много часов). Одна-единственная ошибка может уничтожить целый цикл и даже повредить саму машину.

Аналитический модуль Netfabb Simulation** предназначен для исследования и имитации печати из металлов. Он позволяет заранее обнаружить и исключить множество потенциальных проблем. На основании виртуальной имитации процесса печати он предскажет, рассчитает и визуализирует остаточные напряжения и деформации детали, возникающие от неравномерного нагрева в процессе печати. Более того, он предложит автоматически компенсировать эти деформации, особым образом изменив модель перед печатью. Netfabb Simulation также сможет предсказать разрыв системы поддержек в результате деформации детали.

Предсказание и предотвращение возможных проблем печати еще на этапе подготовки позволяет в разы сократить количество требуемых итераций печати до получения идеального результата. Это заметно снижает себестоимость всего производства и радикально ускоряет его.

На рисунке 5 представлен пример отрыва структуры поддержек от детали в связи с ее деформацией. В данном случае эту дорогую титановую деталь, которая печаталась много часов, можно просто выбросить, так как она безнадежно деформирована.

Рис. 5. Пример отрыва поддержек, вызванный деформацей во время процесса 3D-печати

Рис. 6. Деформированная деталь

А на рисунке 6 видно, что деформация детали оказалась очень большой. В реальности это привело даже к столкновению детали с покровным ножом принтера и его повреждению.

Машина после этого инцидента, вероятнее всего, надолго выбыла из строя и потребовала дорогостоящего ремонта. Расчетный модуль Netfabb Simulation мог предсказать эту ситуацию, но в данном случае не был применен вовремя.

На рисунке 7 показан еще один пример разрыва системы поддержек детали. Расчет и анализ процесса печати мог бы предсказать и предотвратить эту ситуацию.

Рис. 7. Отрыв системы поддержек напечатанной детали

Аддитивная машина в процессе печати управляется специальной программой, по сути, аналогичной ЧПУ. Эта программа содержит траекторию инструмента, стратегии (паттерны) заполнения сплошных участков, режимы работы луча (например, мощность, скорость, фокус).

В Autodesk Netfabb встроен мощный низкоуровневый редактор этих программ, позволяющий в интуитивно понятном дружественном интерфейсе на уровне машинных кодов тонко настраивать работу машины над вашей деталью.

Обработка

Завершающий этап 3D-печати — обработка и контрольные измерения готовой детали. Autodesk Netfabb способен помочь пользователям и здесь.

Например, с помощью встроенной в него утилиты PowerShape*** можно смоделировать на детали легко удаляемые после обработки конструктивные элементы, упрощающие последующую доработку. В данном случае это временная подпорка, облегчающая сверление отверстий в тонкой наклонной стенке детали.

PowerShape уникален тем, что работает с триангулированной моделью как с обычной твердотельной или поверхностной, автоматически распознавая в ней геометрические элементы.

Кроме того, Autodesk Netfabb также способен работать в тесной связке с ЧПУ­продуктами Autodesk PowerMill и Autodesk FeatureCAM, а также с утилитой инструментального контроля Autodesk PowerInspect. В связке эти инструменты способны на порядок ускорить процесс завершающей обработки деталей.

Рис. 8. Моделирование временной подпорки для проведения операции сверления

Заключение

Autodesk Netfabb доступен в трех вариантах по нарастанию функционала и, соответственно, стоимости.

•  Netfabb Standard — это вариант начального уровня для исправления моделей, их ориентации в пространстве принтера и простейшей подготовки модели к печати.
• Netfabb Premium, кроме того, способен уже автоматически работать с поддержками, автоматически паковать детали в рабочее пространство принтеров, и к нему может подключаться отдельно приобретаемый модуль имитации и анализа процессов печати.
• Netfabb Ultimate, кроме всего перечисленного, также способен работать с оптимизацией формы и структуры деталей.

В данной статье приведено лишь краткое описание функционала Autodesk Netfabb. За более подробной информацией на русском языке (о Netfabb или других продуктах Autodesk в области промышленного проектирования и производства) вы можете обратиться на сайт компании ПОИНТ.

Давайте подведем итоги всего, о чем мы поговорили. Autodesk Netfabb способен помочь пользователям практически на каждом этапе работы в области аддитивного производства — от выхода модели из САПР и до входа ее в 3D-принтер. И даже немного дальше. С помощью Netfabb мы можем оптимизировать геометрию и внутреннюю структуру детали, подготавливать ее к печати, анализировать процесс печати в цифровом виде, избегая дорогостоящих натурных ошибок, и даже помогать на этапе последующей обработки успешно отпечатанной детали.

В любом пути важен каждый из составляющих его шагов. Один медленный шаг важного и сложного процесса задержит весь путь. Особенно это заметно на больших проектах, где таких шагов великое множество. В аддитивном производстве долгая подготовка моделей к печати или множество долгих и дорогих неудачных попыток печати значительно повышают длительность и стоимость производства. А с помощью Autodesk Netfabb, решения «всё в одном» в области аддитивного производства, можно не только быстрее подготавливать модели к печати, но также быстро и безошибочно печатать их наиболее эффективным способом.

*Правильнее будет сказать, что сам проект DreamCatcher теперь полностью перекочевал в Netfabb. Отдельно он больше не существует, а в Netfabb он уже сейчас доступен некоторым пользователям в виде предварительного тестирования технологии. Но, по обещаниям разработчиков, уже в ближайшие месяцы станет неотъемлемой частью пакета.

**Модуль локального решателя Autodesk Netfabb Local Simulation приобретается отдельно. Он может использоваться совместно с Netfabb версий Premium или Ultimate. В ближайшее время пользователям Autodesk Netfabb Premium и Ultimate станет также доступен и облачный решатель модуля. На момент написания статьи облачный решатель находится в стадии тестирования, и политика предоставления пользователям доступа к нему пока не опубликована.

***До приобретения Autodesk компании Delcam это был продукт Delcam PowerShape.

Алексей Никулин, ведущий инженер-консультант по направлению «Машиностроение» компании «ПОИНТ»

Статья опубликована в журнале «Аддитивные технологии» № 1-2018.