Цифровое проектирование высокотехнологичных изделий

Первая группа систем - CAD (Computer-Aided-Design) системы, основная задача которых заключается в создании 3D деталей и сборок проектируемого объекта, а также подготовки конструкторской документации (чертежи и пр.). Как показывает практика, использование CAD систем и цифрового проектирования, позволяет сократить время разработки и подготовки конструкторской документации нового изделия до двух раз (по сравнению со старой «бумажной» технологией).

После создания цифрового макета будущего изделия или отдельного элемента, наступает время использования систем компьютерного моделирования и анализа, или CAE (Computer-Aided-Engineering) систем. В CAE системах присутствуют различные математические модели (механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа и др.), используя которые можно с высокой точностью смоделировать поведение реальных объектов. Благодаря этому, удалось уменьшить количество реальных испытаний и заменить их компьютерным моделированием.

После того, как проектирование изделия было завершено, в дело вступают программы для подготовки изделий к производству или CAM (Computer-Aided-Manufacturing) системы, задача которых упростить механизм работы в том, чтобы «перенести» трехмерную модель в набор данных, с помощью которых станок сможет изготовить данную деталь: для станков с ЧПУ это траектория и скорость движения обрабатывающего инструмента, а для установок селективного лазерного сплавления – мощность и траектория движения лазера.

Начнем с CAD систем. Существует большое количество как отечественных, так и зарубежных CAD систем. Можно выделить различные CAD системы по применению (машиностроение, строительство, электрические схемы и пр.), 2D или 3D системы, системы прямого моделирования или с деревом построения. Остановимся на рассмотрении CAD систем для 3D моделирования элементов машиностроения. В независимости от разработчика, данные инструменты позволяют создавать 3D детали, после чего объединять эти детали в 3D сборки, а на основе деталей и сборок создавать различные чертежи и спецификации. Основное отличие CAD систем заключается в различных встроенных функциях (дополнительные модули, элементы построения и пр.), удобству использования, а также цене. Подбор CAD систем очень индивидуален и зависит от многих факторов. Среди наиболее популярных решений можно выделить Siemens NX, Creo Parametric и др.

Так же, в связи с активным развитием аддитивных технологий, появляются абсолютно новые виды CAD систем, не похожие на традиционные. Их задача состоит в создании специальных сетчатых микроструктур (как наружных, так и внутренних), благодаря которым можно в несколько раз снизить массу изделия. Яркий представитель таких CAD систем – NTopology Element.

Теперь перейдем к рассмотрению CAE систем. Можно выделить несколько типов CAE систем: мощные системы с большим количеством математических моделей и легкие узконаправленные системы. Как правило, чем больше математических моделей встроено в CAE систему, тем сложнее и дольше необходимо обучать персонал для работы с ней, а также интегрировать ее в предприятие. Поэтому из всего многообразия CAE систем можно отметить ПО Catopo 3.4.0. компании CES Eckard (Германия). Ключевые особенности ПО Catopo:

• Простой и удобный пользовательский интерфейс, с основными управляющими элементами в виде древовидной структуры;
• Является полноценным инженерным расчетным пакетом, с возможностями проведения статических и температурных расчетов, модального анализа и топологической оптимизации;
• Качественный сеточный генератор, который в автоматическом режиме создает конечно-элементные сетки высокого качества, также возможно создание различных типов сгущения сетки (к поверхности, ребру, точке);
• Система лицензирования и особенности решателя позволяют проводить инженерные расчеты сложных составных конструкции (размерностью выше 10 млн. элементов) без ограничений по количеству расчетных ядер компьютера, возможен расчета на высокопроизводительных кластерах на ОС LINUX;
• Удобная система администрирования при использовании нескольких рабочих мест ПО Catopo.

ПО Catopo имеет необходимый функционал для простейшего инженерного анализа изделий, а с применением топологической оптимизации возможно существенное облегчение деталей с сохранением их механических характеристик. На рисунке 3 представлена топологическая оптимизация рычага автомобиля, для которого масса была снижена в два раза, при этом его прочность практически не изменилась.

Рисунок 3 – Применение топологической оптимизации в ПО Catopo 3.4.0: слева – первоначальный вариант рычага подвески автомобиля; справа – облегченный в два раза, оптимизированный вариант рычага.

Помимо математического моделирования поведения изделия при эксплуатации, с развитием сложных методов производства, таких как селективное лазерное сплавление металлических порошков, возникла необходимость в моделировании данного технологических процесса. Во время сплавления материал подвергается воздействию лазерного источника излучения с высокими термическими нагрузками, что приводит к формированию внутренних напряжений и последующему короблению заготовки.

Используя ПО Virfac возможно снижение брака при производстве за счет нахождения более рационального положения заготовки и поддерживающих структур в камере, что позволяет существенно ускорить процесс подготовки изделия к производству, обеспечив экономию материала и времени.

Рисунок 5 – Результаты моделирования процесса селективного лазерного сплавления в Virfac (источник - https://www.linkedin.com/pulse/numerical-simulation-selective-laser-melting-process-support-laurent/....

Разработчик данного ПО компании GeonX (Бельгия) предоставляет пользователям моделировать целый ряд технологических процессов в том числе и аддитивное производство. 

Последняя группа систем – CAM системы. Среди CAM систем для аддитивного производства можно выделить основного лидера – Materialise. После этапа проектирования и моделирования наступает этап подготовки к производству. В ПО Materialise Magics можно создать различные виды поддерживающих структур в автоматическом режиме, удачно скомпоновать заготовки в рабочей камере, после чего отправить данные непосредственно на установку селективного лазерного сплавления, где и будет создана заготовка.