CC BY
3
организация и управление производством
УДК 621.791.722; 621; 621.762.04
Организация аддитивного производства
Ю. А. Соколов, С. А. Гусев
Рассмотрены вопросы организации аддитивного производства. Стратифицированное представление аддитивного производства позволяет раскрыть взаимодействие разнородных уровней и межуровневых связей, имеющих различные интерфейсы. Приведена иерархическая абстракция, состоящая из технологической, инструментальной, измерительной, информационной, алгоритмической и системной страт.
Ключевые слова: синтез изделий, аддитивное производство, математическое моделирование, страты, алгоритмическое обеспечение, система управления.
Введение
Под аддитивным производством (additive manufacturing) понимается процесс изготовления деталей, основанный на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства и традиционного формообразующего производства [6, 7]. В этом определении следует «распредметить» [2] несколько важных понятий, которые существенно отличают аддитивное производство (АП). Прежде всего, это изготовление изделия исключительно по цифровой ЭБ-модели, разработанной в среде CAD-системы. Следовательно, использование современных компьютерных аппаратных и программных средств обязательно. Впервые настолько ясно основная функция в технологии отведена именно программной составляющей (компьютерное моделирование деталей, полигонизация и триангуляция, нарезка фасетов модели в несколько последовательных слоев, разбиение площади слоя на ячейки спекания и сплавления и др.). Другими словами, АП — принципиально новый подход к производству изделий. Следует также отметить, что, наряду с принципом «слой за слоем», в стандарте допускается использование иных подходов к синтезу изделий. Другой отличительной чертой АП является неразрывность
всего процесса от проектирования изделия до ее изготовления, что позволяет сократить ряд технологических операций.
Оборудование для реализации аддитивных процессов является программируемым и имеет много общего с технологиями обработки изделий на станках с числовым программным управлением. Современная технологическая система АП (additive manufacturing system) включает установку АП и вспомогательное оборудование [6]. В свою очередь, установка АП (AM machine) представляет собой часть системы АП, необходимой для выполнения цикла построения деталей, и включает аппаратную часть, программное обеспечение для настройки и контроля установки, а также периферийные приспособления, используемые для обслуживания установки [6]. Другими словами, установка АП - это сложная технологическая система, состоящая из материальных, семиотических и идеальных подсистем, функционирование которых проявляется в виде производственного процесса.
Иерархическое представление АП
Теория иерархических систем [8] облегчает раскрытие внутренних закономерностей АП, позволяет выявить различные способы ее декомпозиции в виде иерархий абстрагирования, организации и сложности принятия решений.
Рис. 1. Иерархическая декомпозиция аддитивного производства
В работе [1] сложная система представляется в виде многоуровневой иерархической структуры, которая характеризуется последовательным вертикальным расположением подсистем, приоритетом действий подсистем верхнего уровня, зависимостью действий подсистем верхнего уровня от фактического исполнения нижними уровнями своих функций. Стратифицированное описание АП включает семейство моделей на каждом абстрактном уровне (страте). При этом каждая страта определяется собственными законами, переменными и т. д.
Для абстрактного представления АП введем следующие страты: системную, алгоритмическую, информационную, измерительную, инструментальную и технологическую (рис. 1). Остановимся более подробно на каждой из них.
Технологическая страта. Под технологическим процессом (ТП) понимается часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда [4]. АП — многомерный объект управления с векторными входами и выходами измеряемых и неизмеряемых параметров. На уровне технологической страты протекают все базовые динамические процессы синтеза изделий. Основной задачей на этом уровне является анализ закономерностей протекания элементарных технологических операций (ТО).
Инструментальная страта. На инструментальной страте рассматривается аппарат-
ное обеспечение для выполнения ТО. Элементами подсистемы, соответствующей инструментальной страте, являются элементы установки АП, к которым в зависимости от метода формирования слоя и вида концентрированного потока энергии можно отнести рабочую камеру, разнородные источники питания, роботизированные комплексы, электромеханические исполнительные механизмы, вакуумные станции, блоки подготовки контролируемой инертной среды, сопловые устройства, узлы водяного охлаждения и др.
Измерительная страта. На измерительной страте рассматриваются функции очувствления состояния ТП и установки АП. Элементами измерительной страты, образующими интерфейс между подсистемами технологической и информационной страт, являются видеокамеры, электронные приборы и нормализаторы, фотодатчики положения исполнительных механизмов установки, расходомеры, датчики давления и воды, преобразователи, реле, различные средства измерительной техники и др. Общее пространство состояний включает векторы переменных ТП и установки АП. Для описания состояний процесса используются действительные, комплексные и логические переменные. Наряду с переменными, доступными для мониторинга посредством прямых измерений, АП характеризуется переменными, которые рассчитываются косвенными измерениями.
Информационная страта. На информационной страте рассматривается множество вза-
имосвязанных и взаимодействующих элементов управления, выполняющих самостоятельные и общесистемные функции управления и передачи данных. Элементами информационной страты являются оборудование вычислительных цифровых сетей, промышленные компьютеры (ПК), программируемые логические контроллеры (ПЛК), устройства числового программного управления, микропроцессорные и другие аналогичные устройства. Информационный уровень предназначен для решения задач оперативного управления на основе контроля ТП. Соответственно, человеко-машинный интерфейс должен быть адаптирован к человеческим органам восприятия, обеспечивать связь со всеми контролируемыми элементами АП.
Алгоритмическая страта. Алгоритмический уровень объединяет в себе общие алгоритмы управления, ММ, технологические карты процесса синтеза изделий. Согласно ГОСТ 34.003-90 под алгоритмом понимается задание условий и последовательность действий компонентов системы при выполнении ею своих функций [5]. Элементами этой страты являются алгоритмы управления, записанные в виде программ на алгоритмических языках в памяти микропроцессорных устройств.
На уровне алгоритмической страты рассматривается множество математических моделей (ММ) процесса синтеза изделий, на базе которых рассчитываются значения параметров управляющего кода. Разработка ММ процесса синтеза может быть основана как на имеющихся теоретических и экспериментальных положениях механики двухфазных сред, так и на новых разработках и экспериментальных данных.
Можно выделить два направления проектирования ММ:
• на основе баз данных и знаний, включающих результаты многочисленных исследований аддитивного процесса;
• на основе аппарата аэрогазодинамики, гидродинамики, методов моделирования, аппарата исследования операций.
Математической базой первого, вероятностно-статистического, метода являются положения теории вероятностей и математическая статистика. Ее главный недостаток —
возможность разработки модели только для исследованных материалов, что значительно ограничивает пределы применения подобных пакетов.
Второе направление базируется на математическом описании процесса синтеза изделий. Разработка наукоемких моделей для известных и новых материалов является одной из актуальнейших задач, имеющих большое прикладное значение.
Алгоритмический уровень объединяет множество правил и законов управления, которые могут быть записаны на какой-либо носитель информации. В то же время правила и законы управления не могут быть реализованы без остальных, имеющих физическое воплощение уровней иерархической структуры АП.
Системная страта. На системной страте рассматриваются задачи оценки качества моделей на нижестоящих уровнях с учетом основных структурных и параметрических характеристик, общие комплексные вопросы, определяется методика оптимизации параметров процесса на базе векторного критерия. На этой страте анализируются все технические и экономические вопросы, задаются проектные ограничения. Несмотря на богатую теоретическую и экспериментальную базу, аддитивные технологии, в силу своей сложности и много-дисциплинарности, требуют разработки теоретических положений, поиска оптимальных проектных решений и режимов обработки. Системная страта, подобно кровеносной системе биологического организма, обеспечивает коммуникационные процессы всех разнородных страт АП для достижения главной задачи — получения изделия заданных размеров и свойств.
В настоящее время мировое сообщество осознало необходимость кардинальной реорганизации промышленного производства [Э, 11]. Новый технологический уклад формируется в рамках различных концепций: «Индустрия 4.0», «Society 5.0» и др. Их основой является интеллект оборудования, систем, механизмов, способный самостоятельно принимать решения в зависимости от многочисленных факторов взаимодействия со средой и человеком.
Технологические системы с функциями искусственного интеллекта (ИИ) достигли существенных успехов благодаря стремительному
КФПС
Устг юГгство
упрг вления
Рис. 2. Эволюция систем управления (ИИ — искусственный интеллект; ЭВМ — электронно-вычислительная машина; САУ — система автоматического управления; ЦСАУ — цифровая система автоматического управления; КФС — киберфизическая система; КФПС — киберфизическая производственная система)
росту вычислительных мощностей микропроцессорных устройств управления, наличию баз данных и знаний, математического аппарата ИИ. На рис. 2 представлены подход к управлению производством, направленный на развитие «производственного интеллекта» и переход от массового производства к гибкому кастомизированному, в основе которого лежит понятие киберфизической системы (КФС), состоящей из трех технологических компонентов: глобальных вычислений (обработка информации с помощью встроенных аппаратных и программных средств, микроэлектроника и сенсорика, умные продукты, умные машины, умные средства производства), интернета вещей и услуг и облачной обработки [3]. Киберфизическая производственная система (КФПС), состоящая из набора КФС, интегрирует в реальном масштабе времени информацию и данные, отражающие все вопросы конструирования, проектирования, производства, логистики, эксплуатации, сервиса продукции.
Оснащение оборудования децентрализованными системами управления с функциями ИИ позволяет удаленно управлять оборудо-
ванием с помощью интернета вещей и услуг, контролировать технологические процессы (ТП) в режиме реального времени. Передача данных из установок АП в облако обеспечивает тот объем вычислений, который необходим для математического моделирования процесса в реальном масштабе времени.
Следовательно, особенностью современного этапа развития АП является усиление взаимодействия алгоритмической, информационной, системной и измерительной страт, значение которых неуклонно растет. Расширение и дополнение функций связаны с использованием математических и алгоритмических основ ИИ.
Аддитивное производство методом
селективного лазерного сплавления
Рассмотрим более подробно процесс синтеза изделий методом селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting, SLM). Процесс SLM выполняется циклически, посредством повторения отдельных технологических операций: подача дозированного количе-
ства металлического порошка; выравнивание слоя порошка на подложке; горизонтальное перемещение каретки с ножами; обработка поверхности лазерным пучком по заданному алгоритму; перемещение подложки вниз на толщину слоя. Концептуальная модель ТП включает семейство математических моделей (ММ), соответствующее различным физическим явлениям: лазерное излучение, взаимодействие лазерного пучка с подложкой, сканирование пучка, плавление активного слоя порошка в инертной среде, растекание частиц по поверхности подложки, затвердевание частиц, охлаждение изделия в контролируемой инертной среде и др.
Концептуальная модель установки для синтеза изделий методом SLM включает следу-
ющие основные элементы: рабочую камеру, энергетический комплекс (лазерный источник и сканатор), дозатор порошка, строительную платформу, вакуумную станцию, блок подачи газа, систему управления, узел охлаждения (рис. 3).
Декомпозиция АП методом SLM позволяет выделить основные группы взаимосвязанных задач, определить семейство ММ, предложить эффективные методы их численной реализации, выявить основные закономерности ТП. Общая модель разделяется на семейство моделей, что позволяет описать операции процесса, прогнозировать значения неизмеряемых параметров ТП в реальном масштабе времени (скорость плавления порошка, скорость кристаллизации материала частиц, время расте-
Рис. 3. Схема аддитивного производства методом селективного лазерного сплавления
кания частиц и др.), выбрать значения конструкционных и энергетических параметров установки.
Классификация моделей синтеза изделия методом 8ЬМ включает следующие классы:
• формирование контролируемой газовой среды;
• перемещение исполнительных механизмов;
• прогнозирование размерной обработки;
• управление температурным полем.
Модели первого класса описывают процесс
получения контролируемой среды для синтеза изделий. Разрежение в рабочей камере достигается с помощью вакуумной станции и характеризуется давлением остаточных газов. Далее рабочая камера заполняется инертным газом. Во время работы постоянно прокачивается газ и удаляются продукты испарения.
Важными являются точное позиционирование и стабильная скорость перемещения исполнительных механизмов установки, обеспечивающих дозированную подачу порошка, выравнивание порошка и формирование активного слоя, вертикальное перемещение строительной платформы (модели второго класса). В каждом вычислительном цикле рассчитывается текущее положение механизма по датчикам обратной связи по положению. Условиями успешного решения этой задачи являются математическое моделирование процесса движения и расчет оптимальных коэффициентов для контуров регулирования.
Модели третьего класса базируются на фундаментальных законах сохранения энергии, количества движения и массы [9, 10], обеспечивают прогнозирование размерных параметров и свойств изделия. Процессы плавления и растекания материала порошка являются одними из наиболее сложных для математического описания. Точность изготовления изделия зависит как от режима обработки лазерным пучком, так и от свойств порошка. Входными параметрами для моделей этого класса служат параметры пучка (мощность, размер пятна на мишени и др.), сканирования (скорость сканирования, шаг смещения, угол штриховки и др.), размеры и свойства порошка (форма частиц, их размер и распределение, насыпная плотность порошка, толщина слоя, свойства материала и т. д.), геометрическая
форма и размеры тепловых экранов, температура стенки рабочей камеры и свойства ее материала. К фазовым параметрам данных моделей относятся глубина проплавления, ширина ванны расплава, скорость растекания частиц, время кристаллизации металла и др. Для анализа глубины проплавления и скорости перемещения твердожидкой границы жидкого металла необходимо решить задачу Стефана.
Модели четвертого класса, управление температурным полем, позволяют обеспечить равномерный нагрев всей поверхности подложки, сформировать алгоритмы разбиения сечений изделия на ячейки сплавления (ЯС), определить траектории перемещения лазерного пучка между и внутри ЯС.
Структура системы управления
установки АП
Структура СУ обобщенной аддитивной машины селективного лазерного синтеза подчиняется принципам многоуровневой иерархичности, благодаря чему обеспечиваются структурная минимизация и оптимизация программно-аппаратных средств, управляемость, предсказуемость ТП.
Вычислительный потенциал СУ, реализованный на базе двух компьютеров и программируемых контроллеров, интегрирует функции проектирования технологии в машинном масштабе времени и управление процессом синтеза изделия в реальном масштабе времени. При сетевой архитектуре СУ важнейшей задачей является организация надежного обмена информацией между вычислительными устройствами, т. е. резервирование и отказоустойчивость всей инфраструктуры цифровой сети.
Условно можно выделить три уровня управления: генерацию управляющего кода (первый компьютер), построение изделия (второй компьютер), реализацию адаптивных контуров регулирования (видеокамера, тепловизор, сервоустройства, электрические приводы, приборы, датчики и др.).
На рис. 4 показана структурная схема адаптивного управления ТП, особенностью которой является возможность введения корректирующих поправок в оперативную модель
Рис. 4. Структурная схема управления ТП синтеза изделий
управления процессом в режиме реального времени ^^коррекция) и в ММ в режиме машинного времени (Post-коррекция).
Качество изделий в значительной степени определяется уровнем стабилизации параметров, их корректированием по показаниям датчиков обратной связи в целях компенсации влияния случайных возмущений. Методы управления с обратной связью компенсируют отклонения в условиях процесса, учитывают различные особенности обработки, которые невозможно предсказать заранее. Модели и
карты ТП должны иметь вычислительную реализацию, чтобы облегчить моделирование и анализ процесса.
Программное обеспечение АП
Обобщенная схема аддитивного синтеза изделий, приведенная на рис. 5, включает следующие стадии:
• проектирование 3D-модели изделия в среде CAD-системы;
Вт-файл
Синтез изделия
Изделие
Постобработка шделия
Рис. 5. Обобщенная схема аддитивного синтеза изделий
• преобразование файла модели в формат данных АП;
• передача файла геометрической модели в систему АП;
• генерация управляющей программы (управляющих кодов);
• настройка установки АП;
• синтез изделия;
• постобработка изделия.
В состав АП интегрированы различные программные пакеты, обеспечивающие: создание объемной модели на основе фасеточных данных из массива точек после ЭБ-оцифровки или использование объемной модели после ЭБ-моделирования, преобразование файла ЭБ-модели в формат АП (описание внешних замкнутых поверхностей начальной модели для расчета слоев), расчет технологических параметров для формирования каждого слоя, сканирование пучка по поверхности активного слоя и др.
Выводы
Стратифицированное представление аддитивного производства позволяет раскрыть взаимодействие разнородных уровней и межуров-невых связей, имеющих различные интерфейсы. Приведенная иерархическая абстракция, состоящая из технологической, инструментальной, измерительной, информационной, алгоритмической, системной страт, позволяет полностью раскрыть содержание АП. Для современного этапа развития производства характерно расширение функций алгоритмической и информационной страт, которые наполняют интеллектом оборудование, системы, механизмы, синтезированные изделия.
Аддитивные технологии в силу своей сложности и многодисциплинарности, требуют разработки теоретических положений, оптимального поиска проектных решений и режимов об-
работки. Сложность математических моделей, необходимость построения многовариантных программных модулей, существенный объем программного кода ставят вопрос об конфигурационной организации установки АП. Для принятия конструкторских и технологических решений при проектировании АП необходимо рассматривать процесс селективного синтеза изделий как многомерный объект управления. При этом необходимо учитывать особенности протекающих физических процессов.
Литература
1. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении / Под общ. ред. Ю. М. Соломен-цева, В. Г. Митрофанова. М.: Машиностроение, 1986. 256 с.
2. Богин Г. И. Обретение способности понимать: введение в филологическую герменевтику. Тверь, 2001. 126 с.
3. Внедрение и развитие Индустрии 4.0. Основы, моделирование и примеры из практики / Под ред. Армина Рота. М.: Техносфера, 2017. 294 с.
4. ГОСТ 3.1109—82. Единая система технологической документации. Термины и определения основных понятий. М.: Изд-во стандартов, 1982. 14 с.
5. ГОСТ 34.003—90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990. 14 с.
6. ГОСТ Р 2.0.182-1.001.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Ч. 1. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2017. 22 с.
7. ГОСТ Р 2.0.182-1.002.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Ч. 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2017. 14 с.
8. Месаревич М., Мако Д., Такахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 197Э. Э44 с.
9. Савельев Ю. П. Лекции по основам механики жидкости и газа. СПб.: Наука, 2014. Т. 1. 471 с.
10. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 200Э. 784 с.
11. Шваб К. Четвертая промышленная революция. М.: Э, 2018. 208 с.
