Лазерный мир

Рита Бола, руководитель проекта в EWF, рассказывает, как цифровая интеграция этапов технологии лазерной порошковой наплавки по насыпанному слою поможет ускорить его внедрение в промышленности

Производство, будь то мелкие или крупные детали, созрело для сейсмических изменений, вызванных Индустрией 4.0, которая уже быстро распространяется во всех отраслях, независимо от их сектора или географического положения.

Технология, быстро достигающая совершеннолетия, которая играет важную роль в этом цифровом преобразовании отрасли, — это аддитивное производство (AM), которое, как и Industry 4.0, потенциально может привести к сбоям во всех секторах. В недалеком будущем напечатанные структуры по требованию и на месте с использованием разнообразных материалов станут обычным явлением, обеспечивая непревзойденную гибкость и значительное сокращение как затрат, так и времени после обработки.

Но дело в том, что все еще существуют технологические препятствия, которые необходимо преодолеть, которые препятствуют ожидаемому увеличению принятия AM.

Одна из техник AM, в которой сталкиваются с такими препятствиями, — это лазерная порошковая наплавка по насыпанному слою (PBF-LB, laser powder bed fusion), процесс, доступный уже более 20 лет и в целом имеющий меньше производственных ограничений, чем традиционные субтрактивные и формирующие производственные процессы. Тем не менее, этот технологический процесс все еще не выполнил свои обещания.

Причин этому много: PBF-LB медленный и дорогой, его общая эффективность низкая, он имеет ограничение в размере деталей, которые могут быть изготовлены, и обычно требуется несколько итераций сборок, чтобы достичь ожидаемого уровень качества. Это приводит к необходимости большого количества проверок и разрушающих испытаний.

Поэтому поиск решения этой головоломки создаст быстрый путь для принятия этой многообещающей и развивающейся технологии.

Время перейти на цифру

Путем цифровой интеграции всех этапов цепочки процессов PBF-LB — процессов проектирования, сборки и процесов после сборки — партнеры проекта ENCOMPASS решают эти проблемы. Вместе они повышают эффективность и возможности всей цепочки AM и тем самым способствуют значимости Европы в глобальном лидерстве и инновациях в обозримом будущем.

Партнерами проекта являются некоторые ведущие организации в области AM, в том числе Центр производственных технологий, Renishaw, Rolls-Royce, Altair и Университет Ливерпуля (Великобритания); Fraunhofer ILT и ESI Group (Германия); ITP Aero (Испания); DePuy Synthes (Ирландия); Европейская федерация сварщиков (Бельгия) и Centro Ricerche Fiat (Италия).

Благодаря своему коллективному опыту эти партнеры завершают разработку компьютерной системы интегрированной поддержки принятия решений по проекту (IDDS, integrated design decision support) для PBF-LB и предоставили тестовый пример для ее эффективности.

Рисунок 1: Структура системы IDDS (Комплексная поддержка принятия проектных решений) (Кредит: проект ENCOMPASS)

Система IDDS (см. Рисунок 1) обеспечивает интеграцию на цифровом уровне, чтобы обеспечить синергизм между этапами технологической цепочки PBF-LB. С помощью системы  IDDS  партнеры стремятся: обеспечить интерфейс поддержки пользователей в среде CAD; предоставить цифровые инструменты для моделирования и оптимизации стратегий расплавления; предоставить цифровые инструменты для моделирования материалов после сборки и качественных процессов; применять решения для мониторинга ключевых переменных пост-процесса; и разработать основу для оптимизации продуктов PBF-LB и проектирования процессов.

Разработанная система проходит испытания с Rolls-Royce и IPT Aero, чтобы доказать ее положительное влияние в сокращении количества материалов и энергии, используемых для производства титановых деталей для аэрокосмического сектора. Кроме того, автомобильные инструменты и медицинский сектор также получат выгоду от результатов проекта ENCOMPASS.

Большие проблемы

Прежде чем разработать новую систему IDDS, партнеры ENCOMPASS должны были определить препятствия, которые необходимо было преодолеть. Они были многочисленными и варьировались от вопросов, касающихся существующей поддержки принятия решений и инструментов геометрического проектирования для PBF-LB, до сложных требований к моделированию деталей и последующей обработке.

Несмотря на то, что при разработке детали для PBF-LB или AM в целом существует ряд инструментов для традиционных цепочек производственных процессов, существует очень ограниченное количество доступных инструментов, позволяющих проверить определенную геометрию на технологичность.

Существует также множество инструментов выбора решений для процесса AM (1), которые призваны помочь определить наиболее подходящий процесс AM для разработки конкретной детали на основе прямых входных данных от характеристик деталей пользователя, таких как материал, размер, допуск, обработка поверхности и т. д., — но они также имеют значительные ограничения.

В результате проекта ENCOMPASS была разработана программная комплексная система поддержки принятия проектных решений (IDDS) для лазерной порошковой наплавки по насыпанному  слою (Фото: проект ENCOMPASS)

Кроме того, современные инструменты геометрического проектирования, представленные на рынке, используют свободу проектирования AM, такую как программное обеспечение для оптимизации структуры сетки и топологии, позволяя создавать геометрически сложные и легкие компоненты («дизайн для повышения производительности»), однако они не включают производство, специфичное для AM, не говоря уже о PBF-LB-специфических ограничениях. Эти инструменты не учитывают постобработку — в частности, доступ для удаления опоры, доступ для осмотра, а также учет ориентации и поддержки для отделки поверхности.

Наконец, хотя моделирование деталей может использоваться для информирования процесса принятия решений на этапе проектирования, правила проектирования, основанные на физических предсказаниях искажения во время сборки, еще не разработаны из-за вычислительных проблем и необходимого специального программного обеспечения.

Большие цели

При решении этих многочисленных задач проект ENCOMPASS позволяет сделать следующее: обеспечить в среднем 42-процентное сокращение времени от «проектирования до изделия», в среднем 27-процентное увеличение общей производительности производственной цепочки и связанное с этим снижение затрат на производство на 26 процентов — оценивается с использованием методологии из проекта AMAZE2 ЕС.

Это стало бы возможным благодаря достижению снижения среднего времени проектирования на 43%, среднего времени контроля качества на 51% и среднего времени постобработки на 46%.

Разработанная для достижения этой цели, полностью цифровая система IDDS, разработанная в ENCOMPASS, имеет четыре отдельных элемента (как показано на рисунке 2): проектирование деталей, проектирование процессов, проектирование цепочек процессов и оптимизированное проектирование деталей и процессов.

Рисунок 2: Рабочий процесс схемы представления ENCOMPASS (Кредит: проект ENCOMPASS)

Система, основанная на недавно разработанной расширяемой архитектуре, учитывает всю цепочку процессов PBF-LB и оптимально интегрируется с рабочим процессом проектирования. Он учитывает контекст оптимизации топологии (и концептуальное проектирование в более общем плане), генерацию геометрических моделей CAD  и ориентационную зависимость правил проектирования. Он связывается со всей базой данных правил проектирования цепочки процессов (включая знания о процессе PBF-LB, последующей обработке и проверке) и позволяет создавать текущие продукты, процессы и цепочки процессов.

Расширяемая архитектура, разработанная партнерами, включает расширенный формат данных для обмена данными, а также пользовательский интерфейс на основе CAD с предложениями по изменению дизайна продукта и процесса. Расширенный формат данных охватывает всю цепочку процессов, включая постобработку и контроль качества, опираясь на предыдущие стандарты и обеспечивая совместимость. Также разрабатывается хранилище знаний, основанное на функциональных рабочих процессах, поддерживаемых новым форматом данных, включая всю цепочку процессов.

Вывод

Система IDDS, разрабатываемая в рамках проекта ENCOMPASS, который завершится в феврале 2020 года, обеспечит новый и эффективный подход к быстрому внедрению процесса лазерной наплавки в порошковом слое. Это даст возможность разработчикам процессов AM структурировать сбор данных о своих процессах, а также дополнить правила проектирования AM и, таким образом, ускорить рост зрелости процесса. Хотя система изначально нацелена на PBF-LB, методы в будущем будут доработаны консорциумом для охвата других процессов.

Рисунок. Образец, разработанный с использованием системы ENCOMPASS IDDS (Фото: проект ENCOMPASS)

Сайт: EWF

Источник: https://www.lasersystemseurope.com/analysis-opinion/accelerating-adoption-laser-powder-bed-fusion-using-digital-integration