Компания Autodesk представлена на рынке инструментов автоматизации проектирования и производства давно и широко. Количество ее инструментов в этой области уже настолько велико, что перечислить все их без запинки довольно сложно. И это количество постоянно растет. 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, постепенно интегрируя их затем в свое портфолио, и 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

“Autodesk – первая компания, предложившая решение «всё-в-одном»  для аддитивного производства путем поглощения ряда ведущих производителей ПО в этой области”.

Roland Berger Consulting

Рассмотрим, из каких этапов складывается процесс аддитивного производства.

• Создание модели.На первом этапе жизненный цикл «аддитивно-технологичного» изделия почти не отличается от традиционного. 3D-модели создаются теми же САПР. Правда, уже здесь у конструктора на порядок больше свободы – деталь может быть более сложной формы, легче и функциональнее обычной.
• Затем необходима обработка данных – конвертация, исправление сетки (при необходимости), оптимизация внутренней структуры детали и т.п.
• Затем полученную модель нужно подготовить к печати – оптимально разместить модели деталей в рабочем пространстве принтера, добавить структуру поддержек для нависающих частей геометрии, разбить модель на слои, сгенерировать траектории инструмента под выбранную технологию печати.
• Теперь мы готовы вывести модель на печать.
• Полученная деталь затем, вероятно, потребует некоторой завершающей обработки – удаления временных структур и поддержек, температурной или химической обработки, зачистки и полировки поверхностей. Иногда даже традиционного фрезерования отдельных частей. Выходной инструментальный контроль качества также отнесем к завершающему этапу.

Autodesk Netfabb поможет вам на трех этапах этого процесса – от выхода модели из САПР и до входа файла модели в 3D-принтер. Netfabb не всегда обладал таким широким спектром функционала. Это решение было приобретено компанией Autodesk относительно недавно, всего несколько лет назад. Но за эти годы значительно развилось, дополнилось целым рядом новых инструментов и технологий, стало мощнейшим комплексным решением в области аддитивных технологий.

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

• Создание модели, её исправление 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 – упругость, пористость, резко повысившаяся теплопроводность, гигроскопичность.
• Подготовка модели к печати – создание системы поддержек, пакование деталей в рабочее поле принтера, «расслоёвка» и др.
• Анализ детали и имитация процессов печати для предсказания и исключения возможных ошибок.
• Стадия завершающей обработки детали. На этом этапе Netfabb также обладает собственным функционалом. А, кроме того, за счет высокой совместимости может дополняться и другими решениями Autodesk – PowerMill, FeatureCAM и т.п.

Рассмотрим эти этапы последовательно.

Создание

Для пользователя Autodesk Netfabb этот этап начинается с импорта модели из САПР. Здесь неоценимую помощь ему окажет возможность прямого импорта данных из самых распространенных САПР других производителей (SolidWorks, Catia, NX) и поддержка широкого набора нейтральных форматов файлов. Конечно же, есть возможность загружать в Netfabb модели и из САПР Autodesk – Inventor и Fusion 360.

  

Благодаря возможностям импорта поверхностных и твердотельных форматов, а также моделей в виде триангулированных сеток, пользователям Netfabb не придется тратиться на приобретение дополнительных лицензий САПР или конверторов сторонних производителей.

Кроме того, поддерживается широкий набор форматов для передачи моделей уже после так называемого «слайсинга» (или «расслоёвки»), то есть разбивания модели на слои, готовые для передачи на распространенные 3D-принтеры.

“Благодаря возможности Netfabb импортировать сторонние САПР форматы мы сократили время на импорт, конвертацию и исправление моделей с примерно 15 минут до менее чем одной минуты на каждый файл. Время для нас – очень дорогой ресурс, поэтому в итоге мы получили заметный прирост.”

Майкл Хашер, президент Eagle Engineered Solutions, США.

Модели в виде триангулированных сеток широко распространены, и часто используются в различных областях обработки трехмерных данных. В частности, в области подготовки моделей к трехмерной печати. Наиболее распространенный формат для обмена трехмерной геометрией в этом виде – 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, их, чаще всего, необходимо частично исправлять. При передаче могут возникнуть небольшие, но досадные ошибки – 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. На практике пользователю нет необходимости делать это вручную потому, что Netfabb умеет исправлять модели автоматически. Достаточно загрузить модель, нажать кнопку «Исправить» и выбрать нужный скрипт под конкретную модель. Система сама «вылечит» модель ото всех известных «болячек» в течение нескольких секунд. Причем о том, что модель нуждается в исправлении, Netfabb предупредит вас заранее, показав специальный значок еще в диалоговом окне открытия файла. Более того, возможно автоматическое пакетное исправление сразу группы одновременно открываемых файлов.

Согласитесь, всегда лучше однажды инвестировать некоторое количество денег в правильное ПО и далее получать постоянную экономию времени и средств, избегая длительной ручной починки моделей или даже сталкиваться с ошибками на этапе печати.

Оптимизация

Специальная утилита оптимизации деталей, встроенная в Netfabb, позволит автоматизированно превращать обычные САПР-модели в облегченную систему из оболочек и внутренней решетчатой структуры переменной плотности, которая при этом сохранит необходимую надежность. Детали в этом случае могут быть оптимизированы по массе, объему, прочности, технологичности исполнения на выбранном принтере и по еще целому ряду характеристик. Конструктор может даже изменить свойства самого материала печати, как для всей модели, так и для отдельных ее участков. Можно будет создавать пористые участки и гладкие, упругие и жесткие, причем упругость может быть анизотропной (неравной по разным осям). Перечислять свойства материала, изменение которых подвластно пользователям утилиты оптимизации Netfabb, можно долго, и перечень все равно не будет полным, так как пользователи Netfabb постоянно открывают все новые и новые.

Работает утилита под управлением решателя Autodesk Nastran, что, согласитесь, внушает доверие к результатам. Типовой процесс оптимизации выглядит так: 

Netfabb уже «из коробки» поддерживает множество различных типов заполняющих решетчатых структур, так называемых «Selective Space Structures» (сокращенно, «3S»). Кроме них, в Netfabb можно создавать и свои собственные типы подобных структур. Для этого в комплекте есть специальный удобный и интуитивно понятный редактор.

Это позволяет быстро получать сложнейшие детали с удивительными свойствами, в том числе с необычной эстетикой. На этих иллюстрациях вы видите пористую структуру костного импланта и произведение современного искусства от Sarat Babu, Richard Beckett и Vasilis Chlorokostas.

 

Пористая структура костного импланта (слева) , проект Sarat Babu , Richard Beckett  (справа)

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 замечательной системы трехмерного проектирования Autodesk Inventor Professional. Недавно этот функционал пришел и в Autodesk Netfabb^[1].

Autodesk Netfabb, оснащенный технологией оптимизации топологии, самостоятельно «изобретает» для конструктора форму детали под заданные им условия её функционирования. Причем, делает это так, как никогда не пришло бы в голову самому человеку. В результате часто получаются красивейшие бионические формы, напоминающие костную структуру животных. Дикий, природный, «порождающий» дизайн. 

Почему этот функционал внесен 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 100 управляемых осей. Здесь применима только трехмерная печать, которая может произвести эту надежную и одновременно легкую деталь за одну операцию. 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 областью его функционала, связанной 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 при печати не отвалились от модели или не покоробили всю модель, под ними моделируются временные, тонкие и легко удаляемые после производства структуры – так называемые «поддержки». 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 или комбинированные.

             

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.

Продолжим описание функционала подготовки инструментами пакования деталей в рабочее пространство принтера – размещения там множества деталей для одновременной печати. Автоматическое пакование в Netfabb позволяет заказчикам достигать небывалой плотности размещения деталей, недостижимой в случае ручного расположения. Причем Netfabb делает это несравнимо быстрее человека – за считанные секунды. Благодаря этому за одну операцию печати можно произвести максимально возможное количество деталей, сэкономив не только время, но и материалы.

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

При всех операциях подготовки и настройки печати, Netfabb позволяет учитывать параметры и специфику конкретной машины. В него встроена обширная библиотека оборудования. Если же вы не найдете в ней собственного принтера, вы сможете задать его параметры вручную. Выбор машины из библиотеки автоматически устанавливает необходимые параметры подготовки к печати и ограничивает область построения.

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.

Само по себе аддитивное производство – область достаточно тонкая, и с наскока чаще всего не дает точного соответствия формы детали без серьезной оптимизации процесса. Без средств предварительного цифрового анализа и имитации 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. А это ох как недешево.

Аналитический модуль Netfabb Simulation^[2] предназначен для исследования и имитации печати из металлов. Он позволяет заранее обнаружить и исключить множество потенциальных проблем печати. На основании виртуальной имитации процесса печати он предскажет, рассчитает и визуализирует для вас 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 предварительная компенсация остаточных напряжений и деформаций детали позволяет в разы сократить количество требуемых итераций печати до получения идеального результата. Это, естественно, снижает себестоимость всего производства и радикально ускоряет его.

Вот пример отрыва структуры поддержек от детали в связи с ее деформацией. В данном случае дорогущую титановую деталь можно просто выбросить.

А здесь деформация детали привела к ее столкновению с покровным ножом принтера и его повреждению. 

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

Следующая иллюстрация показывает еще один пример разрыва системы поддержек детали. И результат его анализа (к сожалению, тоже запоздалого), который мог бы предсказать и предотвратить эту ситуацию.

В конце этапа подготовки модели к печати, мы получаем, по сути, управляющую программу для аддитивной машины, аналогичную 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 тонко настраивать работу машины над вашей деталью на уровне машинных кодов, но в то же время в интуитивно понятном дружественном интерфейсе.

Обработка

Завершающий этап работы в области 3D-печати – обработка и контрольные измерения готовой детали. Autodesk Netfabb способен помочь пользователям и на этом этапе.

Например, с помощью встроенной в него утилиты PowerShape^[3], можно заранее предусмотреть на детали легко удаляемые конструктивные элементы, упрощающие последующую доработку. В данном случае – это временная подпорка, облегчающая следующее после печати сверление отверстий в тонкой наклонной стенке детали.

Моделирование временной подпорки для проведения операции сверления

Кроме того, Autodesk Netfabb также способен работать в тесной связке с продуктами для разработки управляющих программ для станков ЧПУ Autodesk PowerMill и Autodesk FeatureCAM и  утилитой инструментального контроля Autodesk PowerInspect. В связке эти инструменты способны на порядок ускорить процесс завершающей обработки деталей.

Заключение

Autodesk Netfabb доступен в трех вариантах по нарастанию функциональности 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.

Безусловно, это лишь краткое описание функционала разновидностей Autodesk Netfabb. Более подробную информацию по сравнению версий Autodesk Netfabb вы сможете получить на соответствующей странице нашего сайта. 

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 её 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 можно не только быстрее подготавливать модели к печати, но также быстро и безошибочно печатать их наиболее эффективным способом. Autodesk Netfabb, решение «всё в одном» в области аддитивного производства, оснащено для этого всем необходимым функционалом:

• Netfabb поможет вам вывести аддитивные технологии на вашем предприятии на новый уровень: улучшить функциональность ваших изделий (массу, вес, технологичность); упростить ваше производство путем укрупнения деталей и снижения затрат на него; сделать ваши продукты лидерами инноваций, благодаря почти неограниченной свободе проектирования изделий под аддитивное производство.
• Структуры заполнения деталей переменной плотности позволят оптимизировать расход материалов и снизить массу деталей, а также наделят их новыми свойствами – упругостью, пористостью, измененной теплопроводностью и др. Инструменты оптимизации топологии помогут создавать еще более уникальные продукты по соотношению прочность-масса. И, более того, эти два метода оптимизации можно будет совмещать в одной детали, получая еще больший эффект.
• Инструменты анализа и имитации процессов печати из металлов радикально удешевят и ускорят процесс производства, исключив множество ошибок еще тогда, когда на них не потрачено ни одного рубля, ни одного часа работы машин, ни одного киловатта энергии.
• Инструменты автоматизации создания структуры поддержек, автоматического пакования множества деталей в рабочее пространство принтера и тонкой настройки управляющих программ еще больше ускорят и удешевят производство.
• Прямая поддержка форматов файлов распространенных САПР избавят от необходимости тратиться на приобретение их лицензий или средств конвертации. Средства исправления и редактирования геометрии дополнят копилку средств повышения эффективности подготовительных работ, причем с учетом специфики конкретных имеющихся у вас принтеров.

Autodesk Netfabb – комплексное решение, которое позволит извлечь максимум из аддитивных технологий.