CC BY
3
УДК 621.791.722; 621.762.04
Организация программного аддитивного производства
Ю. А. Соколов1, С. А. Гусев1, А. Н. Лебяжьев2
1 ПАО «Электромеханика», г. Ржев, Россия
2 ООО «АТЕКО-ТМ», Москва, Россия
DOI 10.25960/mo.2020.2.37
обеспечения
Рассматриваются вопросы организации программного обеспечения аддитивного производства. Показаны основные стадии синтеза изделий: проектирование 3D-модели изделия в среде CAD-системы, преобразование файла модели в формат данных аддитивного производства, генерация управляющих кодов, синтез изделия, постобработка изделия. Особое внимание уделено алгоритмам спекания/сплавления, каждый из которых подразумевает расчет геометрической формы и размерных параметров ячеек сплавления. Выбор алгоритма позволяет задать стратегию сканирования поверхности слоя.
Ключевые слова: синтез изделий, аддитивная технология, алгоритмическое обеспечение, система управления, ячейки сплавления.
Введение
Оборудование для реализации аддитивных процессов является программируемым и имеет много общего со станками с числовым программным управлением. Современная система аддитивного производства (additive manufacturing system) включает установку аддитивного производства (АП) и вспомогательное оборудование [2]. 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 [2]. Наиболее наукоемкой составляющей установки АП является программное обеспечение (компьютерное моделирование деталей, полигонизация/триангуляция, разбиение модели на слои, деление площади слоя на ячейки спекания/сплавления и др.).
Структура системы управления
установкой АП
При проектировании установки для синтеза изделий методом селективного лазерного сплав-
ления (SLM) к числу наиболее наукоемких задач относится разработка информационного обеспечения и программно-аппаратных средств системы управления (СУ), представляющей собой особый класс динамических систем, которые отличаются наличием самостоятельных функций и целей управления, высоким уровнем системной организации [7]. Структура СУ обобщенной аддитивной машины селективного лазерного синтеза, представленная на рис. 1, подчиняется принципам многоуровневой иерархичности, благодаря чему обеспечиваются структурная минимизация и оптимизация программно-аппаратных средств, управляемость, предсказуемость технологического процесса (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. Условно можно выделить три уровня управления: генерация управляющего кода (первый компьютер), построение изделия (второй компьютер), реализация адаптивных контуров регулирования (видеокамера, тепловизор, серво-устройства, электрические приводы, приборы, датчики и др.).
Компьютер 3D ^
-( Уровень управления )-
-С 3D-MOAenb.stl
^ npoeKT.job
Компьютер 2D
Ж
HMI- панель -7Т-
Контроллер лазерного комплекса
Сигналы согласования
состояний <-
1Z.
Лазерный источник
Ч
Энергообеспечение луча)
Сканатор лазерного луча
Программируемый логический контроллер
тт-
Полевой уровень
Перемещение стола
Дозирование порошка
^-»•^Позиционирование луча J Фокусировка луча )
Выравнивание порошка
Вакуумная станция
Ч
Разрежение среды)
Ч
Блок газонапуска
Конвекционный теплообмен
51
Видеокамера
зг
51
Тепловизор
Ж
Вектор управления технологическим процессом
Технологический процесс синтеза изделия
Рис. 1. Схема программно-аппаратных средств системы управления установки селективного лазерного синтеза
Fig. 1. The scheme of hardware-software means of a control system of installation of selective laser synthesis
На первом компьютере оператор в автоматизированном режиме ориентирует модель на рабочем столе, задает настроечные параметры и размер слоя, выбирает алгоритм спекания/ сплавления и др. Программное обеспечение (ПО) первого компьютера выполняет следующие функции:
• импорт файлов 3D-моделей в формате данных АП;
• перемещение, вращение и позиционирование импортированных моделей на рабочем столе;
• создание массивов импортированных моделей;
• верификация процесса прохождения лазерного луча в активном слое;
• отображение свойств импортированных моделей: имя, габаритные размеры, координаты;
• ввод общих технологических настроек: размер рабочего стола, шаг слоя;
• выбор алгоритма сплавления;
• ввод частных настроек для алгоритма;
• сохранение проекта;
• генерация управляющего кода.
Генерация управляющего кода осуществляется в автоматическом режиме: выполняются деление 3D-модели изделия на слои, разбиение площади слоя на ячейки сплавления (ЯС), рассчитываются траектории перемещения лазерного пучка внутри и между ЯС, определяется режим обработки поверхности активного слоя (мощность и скорость сканирования пучка, диаметр пятна на мишени и др.). В итоге формируются управляющая программа или управляющие коды (файлы с расширением bin), которые передаются на второй компьютер, координирующий работу сканаторной головки, источника лазерного излучения, исполнительных механизмов стола и вспомогательных устройств. Программно-аппаратные средства второго компьютера обеспечивают:
• исполнение команд управляющей программы (кода);
№ 2(11б)/2020
• управление источником энергии, исполнительными механизмами сканирования луча и строительной платформы, дозирования сырья;
• получение дискретных и аналоговых сигналов от исполнительных и вспомогательных устройств аддитивной установки;
• визуализацию на мониторе параметров ТП, текущего режима и других данных.
• генерация управляющей программы (управляющих кодов);
• настройка установки АП;
• синтез изделия;
• постобработка изделия.
Проектирование 3D-модели в среде CAD-системы
Программное обеспечение АП
В состав АП интегрированы различные программные пакеты, обеспечивающие создание объемной модели на основе фасеточных данных из массива точек после ЭБ-оцифровки или использования 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.
Аддитивный синтез изделий включает следующие стадии:
• проектирование ЭБ-модели изделия в среде САБ-системы;
• преобразование файла модели в формат данных АП;
• передача файла геометрической модели в систему АП;
Разработка технологического и программного обеспечения для аддитивных процессов начинается с подготовки электронной модели изделия.
Наиболее часто проектирование eD-модели изделия осуществляется в среде системы автоматизированного проектирования (CAD-системы). На этом этапе необходимо получить модель поверхности (surface model) изделия — математическое или цифровое представление объекта в виде набора плоских и (или) искривленных поверхностей [3]. Модель содержит комплекс конструкторских, технологических и механических параметров, необходимых для выполнения расчетов, математического моделирования, разработки ТП [5]. Пример электронной 3D-модели детали типа «гидрораспределитель», разработанной в среде CAD-системы, приведен на рис. 2.
Модель также может быть получена с помощью 3D-сканирования или 3D-оцифровки (3D scanning, 3D digitizing), если деталь или ее части существуют в физической форме.
Рис. 2. ЭБ-модель детали типа «гидрораспределитель» Fig. 2. 3D-model of a detail of type "hydrodistributor"
В этом случае получение данных о форме и размерах объекта в пространстве, запись координат точек поверхности объекта (X, У, 2) и преобразования набора точек в электронную геометрическую модель осуществляются при помощи специализированного программного обеспечения. Общепринятые способы оцифровки деталей автоматизированы и скомбинированы с контактной измерительной головкой, лазерным сканером или другим приспособлением.
Преобразование файла модели
в формат данных АП
Формат файла электронной геометрической модели АП (Additive Manufacturing File Format, AMF) для передачи набора данных непосредственно в систему АП содержит в общем случае пространственное описание геометрии поверхности со встроенной поддержкой цвета, материалов, сеток координат, групп элементов и метаданных [3]. Точное воспроизведение геометрии в наборе данных AMF является необходимым условием для обеспечения синтеза деталей. При этом все поверхности модели должны быть идеально состыкованы [3].
Набор данных изделия генерируется из объема или площади модели через полигониза-цию либо триангуляцию — процесс создания объемной модели на основе фасеточных данных из массива точек после 3Б-моделирования или 3Б-оцифровки. Поверхность объекта представляет собой множество малых, плоских граней или полигонов, вершины которых генерируются в процессе 3Б-оцифров-ки. Число и размер фасетов определяют точность воспроизведения геометрии поверхности. Слишком низкое разрешение полигональной модели снижает точность синтезируемого изделия. Очень высокое разрешение требует большего объема памяти и увеличивает время подготовки файла АП.
Наиболее распространенные форматы данных АП (VRML, IGES, AMF, STL) приведены в стандарте РФ [3, 4], который устанавливает требования к файлам АП (AMF), определяет термины для описания геометрии изделия и его частей, описывает способы обмена данными, типы файлов и форматирование.
Язык VRML (язык моделирования виртуальной реальности), независимый от платформы построения, поддерживает трехмерный формат изображения и различные сетевые возможности. Формат данных описывает 3Б-объекты. Типы узлов строятся на основных геометрических формах, таких как параллелепипеды, цилиндры, конусы, сферы. Используются также параллельная перспектива, группы узлов для реализации иерархических структур [3]. В настоящее время формат VRML стал форматом XML, расширяемым 3D, Web3D.
IGES представляет собой нейтральный формат данных и международный стандарт для обмена CAD-данными. IGES разрабатывался, главным образом, для передачи геометрических данных, относящихся к 2D-модели чертежа и 3D-модели поверхности [3]. IGES использует объемные элементы (параллелепипеды, цилиндры, сферы и т. д.), около 40 дополнительных геометрических элементов (поверхности, кривые, дуги, точки, системы взаимодействия и др.) и более 35 негеометрических элементов (текст, размеры, допуски и т. д.).
STEP (стандарт обмена данными модели) — система нейтрального формата, интерфейс для описания и обмена данными модели между различными CAD-системами. Формат STEP используется для передачи данных о продукте, например цвета, текста или слоя поддержки (как с DXF или IGES).
Производственный формат-добавка AMF был специально разработан для производства присадок, мозаичного описания поверхности. В AMF геометрия поверхности представляется сеткой треугольных элементов, которые могут быть изогнуты. Формат файлов может также устанавливать материал и цвет каждого объема, цвет каждого треугольника в сетке.
Наиболее часто 3D-модель изделия передается в системы АП в формате данных STL, который представляет полигональную модель поверхности трехмерного объекта системой треугольников (рис. 3). Это системно-нейтральный формат обмена данными по геометрическим координатам [3].
Граничные поверхности объемной модели описываются фасетами: треугольниками (плоские грани) и их нормальными векторами. Файл формата STL (тесселяция поверхности
Рис. 3. Формат данных STL (деталь типа «гидрораспределитель») Fig. 3. Format of data STL (a detail of type "hydrodistributor")
языка или стереолитография) зарекомендовал себя как отраслевой формат для передачи данных в аддитивных технологиях. Это системно-нейтральный формат обмена данными по геометрическим координатам. Граничные поверхности объемной модели описываются треугольниками (плоские грани) и их нормальными векторами. Наборы STL-файлов могут быть сохранены с помощью кода ASCII или двоичных представлений, которые являются более удобно читаемым форматом, значительно сокращающим размер файла [3] (код ASCII удобен для чтения и анализа, но большой по размеру, двоичные представления не подлежат чтению и анализу, но значительно компактнее).
Генерация управляющей программы
(управляющих кодов)
Программный модуль генерации управляющих кодов АП представляют собой сложный наукоемкий продукт, который, как правило, разрабатывается специализированными фирмами. Одним из лидеров на рынке программного обеспечения АП является компания Materialise Magics [9], ее продукция позволяет импортировать файлы разных форматов (VRML, Rhino, Sketchup, OBJ, 3DS, PLY, ZPR, FBX, COLLADA, X3D, 3MF, DXF, STL) в систему АП. Гибкая платформа ПО исправляет ошибки формы, оптимизирует дизайн и подготавливает платформу для построения.
Среди отечественных разработок следует выделить программу LDesigner ТМ компании «Атеко-ТМ» (Москва), предназначенную для реализации процессов селективного лазерного спекания/сплавления. Программное обеспечение для синтеза изделий сложной геометрической формы из порошка LDesigner ТМ обеспечивает разбивку 3D-модели на слои, выполняет редактирование отдельных или группы слоев, задает технологические параметры спекания/сплавления для каждого слоя, прогнозирует возникновение возможных технологических дефектов, реализует процесс синтеза изделия в реальном масштабе времени (синхронное управление работой сканаторной головки, лазерного излучателя, перемещением стола и др.). Сканаторная головка компании «Атеко-ТМ» представляет собой систему отклонения лазерного излучения на базе двух гальванометрических сканаторов LScan-M3 [8]. В зависимости от выбора источника лазерного излучения и от требований, предъявляемых к выходным параметрам системы (размер поля, мощность лазерного источника, скорость обработки, точностные характеристики и т. п.), в сканаторной головке устанавливаются соответствующие зеркала и объектив.
Модуль генерации управляющего кода определяет геометрическую форму и размерные параметры ЯС, алгоритмы разбиения слоя на ЯС, переходов между ЯС, штриховки в каждой ЯС, сканирование луча внутри каждой
Рис. 4. Схема штриховки в ячейках сплавления
Fig. 4. The shading scheme in cells of alloying
ЯС, спекания/сплавления; рассчитывает технологические режимы.
Площадь подложки разбивается на множество ЯС, геометрическая форма которых может представлять полосы, квадраты, треугольники и другие элементарные фигуры.
Стратегия штриховки пучка внутри каждой ЯС оказывает существенное влияние на направление роста зерна, уровень остаточных напряжений в материале. Под углом штриховки понимается угол между линией, которую описывает движущееся по поверхности пятно лазерного пучка, и осью X (рис. 4). На практике используются различные схемы штриховки ЯС. Известны схемы изменения ориентации луча на 30°, 45°, 90°. [1]. Причем при формировании последующего слоя целесообразно изменять направление сканирования луча над ЯС.
Аддитивные процессы характеризуются высокой скоростью плавления слоя и малым временем кристаллизации расплавленного металла. При больших размерах синтезируемого изделия в ходе операции плавления порошка важен вопрос минимизации тепловых деформаций изделия.
Алгоритмы переходов энергетического пучка между ЯС оказывают значительное влияние на тепловые условия проведения процесса, стабильность температурного поля и, следовательно, на качество синтезируемых изделий. Одной из основных задач этой операции является обеспечение равномерного температурного поля по всей поверхности.
На стадии подготовки управляющего кода необходимо выбрать алгоритм спекания/
сплавления. Рассмотрим несколько таких алгоритмов, каждый из которых подразумевает расчет геометрических и технологических параметров процесса. Выбор оптимального алгоритма позволяет задать стратегию синтеза изделия.
Алгоритм спекания/сплавления
«Квадраты»
Алгоритм «Квадраты» определяет последовательность сканирования луча по контурам сечения детали, порядок заполнения внутренней области сечения. Определение геометрической формы и размерных параметров начинается с прочерчивания дополнительных контуров. Параметры Ыр и £р показывают соответственно количество дополнительных контуров и шаг смещения между ними (рис. 5).
Исходное поле активного слоя накладывается на сетку с размером ячейки £с (рис. 6). Условно клетки разделяются на горизонтальные, в которых штриховка будет идти снизу вверх, и вертикальные, где штриховка выполнена слева направо. Горизонтальные и вертикальные клетки располагаются в шахматном порядке.
Движущееся по поверхности порошка пятно энергетического пучка описывает при своем перемещении некоторые линии, которые выражаются уравнениями между координатами их точек. В прямоугольной системе координат Х0У линии разделяются в зависимости от вида уравнений и могут иметь п-й порядок. В дальнейшем рассматриваются линии 1-го порядка, т. е. прямые.
Np дополнительных контуров с шаром Sp
Внешний контур
Внутренний контур
Рис. 5. Формирование контуров Fig. 5. Formation of contours
Рис. 6. Формирование контуров сетки (Sc — размер квадрата сетки)
Fig. 6. Formation of contours of a grid (Sc — the size of a square of a grid)
Внутри каждой ЯС строится N параллельных линий, соединенных между собой перемычками по способам S или Z, в зависимости от установленного параметра S—Z Type (рис. 7). Линии выходят за пределы ЯС на заданный размер с продольной и поперечной сторон.
Линии, которые выходят за пределы условного дополнительного контура, не сплавляются пучком (рис. 8). В зависимости от па-
a)
б)
4
Рис. 7. Сканирование ячеек сплавления по способам S (а) и Z (б):
1 — шаг сканирования; 2 — перебег в продольном направлении; 3 — перебег в поперечном направлении; 4 — контур ячейки сплавления; 5 — линии спекания/ сплавления; 6 — линия перемычек
Fig. 7. Picture 7. Scanning of alloying cells in the ways S (a) and Z (б):
1 — a scanning step; 2 — rerun size in a longitudinal direction; 3 — rerun size in a cross-section direction; 4 — a contour of alloying cell; 5 — sintering/alloying lines; 6 — a line of crosspieces
Рис. 8. Заполнение ячеек сплавления: 1 — внешний контур; 2 — величина смещения между исходным и условным контуром
Fig. 8. Filling of alloying cells:
1 — external contour; 2 — displacement size between an initial and conditional contour
раметров настройки можно выбрать несколько вариантов сплавления слоя: поочередно сплавляются пакеты «исходный контур», «дополнительные контуры», заполнение ЯС по выбранному алгоритму (последовательное или случайное).
Алгоритм спекания/сплавления
«Треугольники»
Алгоритм «Треугольники» обеспечивает формирование узлов и ячеек случайным порядком. Структура спекаемого/сплавляемого слоя, показанная на рис. 9, включает внешний и внутренний контуры и несколько дополнительных контуров, охватывающих область ячеек сплавления.
Задача генерации узлов на контурах слоя (рис. 10) заключается в нанесении на спекаемый слой периодических делений с постоянными шагами по дополнительным контурам, ограничивающим область ЯС с последующим случайным смещением узлов разметки относительно узлов периодической разметки в пределах рандомных мишеней-интервалов контуров на случайные величины А1, 2: А1 < ^1/2, А2 < #2/2 (А-1, А2 — случайные смещения относительно периодических разметок контуров; #1, #2 — рандомные мишени-интервалы контуров).
Сплавляемый слой, ограниченный внеш-
2
2
3
5
МЕТАЛЛ00 БРАБОТКА
Рис. 9. Контуры спекаемого слоя: 1 — внешний контур; 2 — внутренний контур; 3 — дополнительные контуры; 4 — область ячеек сплавления
Fig. 9. Contours of a sintered layer: 1 — an external contour; 2 — internal contour; 3 — additional contours; 4 — area of alloying cells
ним и дополнительными контурами, помещается в систему координат ХОУ, которая создается индивидуально для каждого слоя и объединяется с общей системой координат синтезируемого изделия специальным вектором связи. Допустимо обрабатывать сплавляемый слой в общей системе координат синтезируемого изделия, однако это может значительно увеличить количество ненужных вычислений.
Задача генерации внутренних узлов заключается в нанесении на сплавляемый слой периодической сетки с постоянным шагом 5 по осям Х и У с последующим случайным смещением узлов разметки относительно узлов периодической сетки в пределах площади рандомных мишеней разметки по осям Х и У на случайную величину А (рис. 11).
Решение задачи выглядит следующим образом. Система координат спекаемого слоя Х0У позиционируется относительно спекаемого слоя так, чтобы внешний контур вписывался в квадрант Х0У, касаясь осей 0Х и 0У, или с небольшим запасом, не выходя за пределы квадранта.
Наряду с системой координат спекаемого слоя Х0У наносится система координат разметки (без специального обозначения) с началом координат Хо^о, оси которой градуируются с постоянным шагом 5.
На построенные таким образом узлы координатной сетки наносятся квадратные рандомные мишени разметки со стороной Я,
Рис. 10. Генерация узлов на контурах сплавляемого слоя:
1 — внешний контур; 2 — внутренний контур; 3 — дополнительные контуры; 4 — область ячеек сплавления; Si, S2 — шаги деления контуров; Ri, R2 — рандомные мишени-интервалы контуров; Ai, A 2 — случайные смещения относительно периодических разметок контуров
Fig. 10. Generation of knots on contours of an alloyed layer:
1 — an external contour; 2 — an internal contour; 3 — additional contours; 4 — area of alloying cells; Si, S2 — steps of division of contours; Ri, R2 — random targets-intervals of contours; Ai, A2 — casual displacement concerning periodic marking of contours
геометрические центры которых совпадают с узлами координатной сетки. Размер рандом-ных мишеней задается с учетом неравенства 0 < Я/2 < 5/2: чем больше площадь квадрата, тем больше дисперсия генерации внутренних узлов. Построенные рандомные мишени разметки не должны выходить за пределы квадранта ХОУ, в противном случае следует сместить систему координат относительно сплавляемого слоя так, чтобы рандомные мишени
УЛ
Внешний и дополнительные контуры R
2S + y0 + A
1S + y 00 + A
OS + y0 + A
Спекаемый
0 0S + x0 +A 1S + x0 +A 2S + x0 +A Рис. 11. Генерация внутренних узлов Fig. 11. Generation of internal knots
X
Рис. 12. Формирование связей между узлами:
1 — внешний контур; 2 — внутренний контур; 3 — дополнительные контуры; 4 — связь по исходному контуру; 5 — область сплавления ячеек; 6 — внутренняя связь; 7 — пути сплавления; 8 — обратный ход пути сплавления
Fig. 12. Formation of communications between knots:
1 — an external contour; 2 — an internal contour; 3 — additional contours; 4 — communication on an initial contour; 5 — area сплавления cells; 6 — internal communication; 7 — alloying ways; 8 — a reverse trace of alloying motion
вписывались в пределы квадранта X0Y. Очень точная подгонка не требуется, так как это может привести к генерации вырожденных (очень коротких или нулевых) путей спекания/сплавления.
Случайные смещения генерируемых внутренних узлов определяются случайными значениями Ax и Ay, которые могут лежать в пределах 0 < |Ax| < R/2, 0 < |Ay| < R/2.
Генерируемые внутренние узлы (nodes) обозначаются по принципу матричных элементов Nxy. Узлы, которые сгенерированы за пределами внешнего контура спекаемого слоя, обозначаются пустыми кружками и приобретают атрибут фиктивных. Узлы, которые сгенерированы в пределах внешнего контура, обозначаются черными кружками и приобретают атрибут реальных.
Затем происходит формирование случайных связей между узлами по следующим правилам (рис. 12). За исходный контур принимается внешний или дополнительный контур, ближайший к области сплавления ячеек.
Формирование траекторий заполнения ячеек. Внутри каждой ячейки формируются линии штриховки, как показано на рис. 13. Линии смещены друг от друга на шаг Ss. Направление сплавления непринципиально. При заполнении ячейки случайным образом выбирается одна из границ ячейки. Первая линия пути строится вдоль этой границы.
Последующие линии строятся с шагом смещения Каждая линия выступает за границы ячейки на величину 01 с каждой стороны.
Алгоритм спекания/сплавления «Соты»
Алгоритм «Соты» формирует пути сплавления путем построения заполненного сотами поля (рис. 14). Соты имеют регулируемый размер и строятся от единой для всех слоев точки начала координат. Между слоями соты располагаются друг над другом. В зависимо-
Рис. 13. Метод заполнения ячейки:
1 — прямой ход пути сплавления; 2 — обратный ход пути сплавления; 3 — границы ячеек
Fig. 13. Method of filling of a cell:
1 — a straight way of alloying motion; 2 — a reverse way of alloying motion; 3 — borders of cells
Рис. 14. Формирование внутренних сот:
1 — внешний контур; 2 — внутренний контур; 3 — дополнительный контур; 4 — исходный контур; 5 — спеченные контуры; 6 — контуры сот; 7 — зигзаг-линия; 8 — линии перемычек
Fig. 14. Formation of internal combs:
1 — an external contour; 2 — an internal contour; 3 — an additional contour; 4 — an initial contour; 5 — sintered contours; 6 — contours of combs; 7 — zigzag line; 8 — lines of crosspieces
Рис. 15. Сплавление внутренних сот:
1 — спеченные контуры; 2 — зигзаг-линия; 3 — линии перемычек; 4 — перебег линий перемычек (Rise)
Fig. 15. Alloying of internal combs:
1 — sintered contours; 2 — zigzag line; 3 — lines of crosspieces; 4 — size of rerun of crosspieces lines (Rise)
сти от значений параметров от слоя к слою может производиться сдвиг точки начала построения сотового поля на соответствующие значения относительно координат X и Y.
Порядок перемещения луча определяет значение параметра настройки. В первом случае осуществляется сплавление основного контура с пакетами вспомогательных контуров, во втором — сплавление линий сот происходит по следующему принципу:
• прочерчивается зигзаг-горизонтальная линия (рис. 15);
• прочерчиваются вертикальные перемычки, прилегающие к спеченной линии и выступающие сверху и снизу на величину Rise.
На рис. 16 на примере детали типа «гидрораспределитель» показано разбиение слоя порошка на ЯС по алгоритму «Соты» (программа LDesigner ТМ).
После определения геометрических размеров необходимо рассчитать энергетические и технологические параметры аддитивного процесса. В процессе синтеза изделия происходят сложные физические явления, которые сильно зависят от параметров обработки (мощность и диаметр пучка, скорости относительного перемещения пучка и подложки и др.),
Рис. 16. Сплавление слоя по алгоритму «Соты» Fig. 16. Alloying of a layer on algorithm "Combs"
химических, физических и технологических свойств порошка. Для расчета параметров процесса синтеза изделия необходимо установить количественную зависимость между технологическими режимами и свойствами изделия.
Настройка системы АП
После импорта файлов ЭБ-моделей в формате АП необходимо задать материал порошка, толщину слоя, размеры строительного стола, адаптировать модель к конкретной установке — выполнить позиционирование модели относительно стола установки. Ориентация модели — важная операция, так как оптимальное расположение позволяет не только минимизировать напряжение в процессе синтеза изделия, но и сократить количество поддерживающих структур.
При работе с проектом в рабочем окне необходимо отображать ЭБ-модель строительной платформы с импортированными моделями, кнопки для позиционирования моделей и просмотра их свойств, настройки проекта: шаг слоя, алгоритм сплавления. При работе с настройками штриховки в рабочем окне должен визуализироваться список окон для ввода частных настроек штриховки с возможностью сохранения рецептов на основе существующих алгоритмов.
Синтез изделия
Алгоритм автоматического управления процессом послойного синтеза изделия в реальном масштабе времени представлен на рис. 17. Как правило, при обработке поверхности пучком сначала формируются контуры сечения, затем — площадь внутри ЯС. Для минимизации остаточных напряжений в процессе работы целесообразно обеспечить постоянное изменение угла сканирования, при переходе от слоя к слою можно изменять форму и размеры ЯС. Цифровое управление аддитивным процессом сопровождается записью статистических данных: температуры процесса, условий окружающей среды, параметров пучка и т. д.
Рис. 17. Алгоритм синтеза изделия Fig. 17. Algorithm of product synthesis
Пост-обработка изделия
Под пост-обработкой, входящей в многошаговый процесс, понимается комплекс операций для придания изделию необходимых свойств. При необходимости в пост-обработку могут вводиться дополнительные операции для придания определенных свойств изделию [6]. К наиболее распространенным операциям пост-обработки относятся:
1) удаление поддержек, заключающееся в механическом, химическом или ручном удалении структур поддерживающих элементов,
использующихся для построения изделия; способ удаления структур поддержек выбирается в зависимости от материала или геометрии изделия;
2) очистка поверхности изделия для удаления с поверхности изделия материала, не использованного в процессе его получения;
3) обработка поверхности изделия, направленная на придание поверхности изделия необходимых свойств, например шероховатости [6].
Выводы
При проектировании установки АП к числу наиболее сложных задач относится проектирование программно-аппаратных средств системы управления, представляющей собой некоторое множество взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем управления, выполняющих самостоятельные и общесистемные функции управления: получение изделий заданной точности и качества. Аддитивные технологии, в силу своей сложности и много-дисциплинарности, требуют разработки теоретических положений, алгоритмов сканирования пучка, поиска оптимальных проектных решений и режимов обработки. Сложность математических моделей, необходимость построения многовариантных программных модулей, существенный объем программного кода ставят вопрос о конфигурационной организации установки АП.
Литература
1. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технология аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. М.: Техносфера, 2016. 656 с.
2. ГОСТ Р 2.0.182-1.001.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2017. 22 с.
3. ГОСТ Р 2.0.182-1.003.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 3. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2017. 14 с.
4. ГОСТ Р 2.0.182-1.004.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 4. Обработка данных. М.: Стандартинформ, 2017.
5. ГОСТ Р 2.0.182-1.005.16. Аддитивные технологические процессы. Методы контроля и испытаний металлических материалов сырья и продукции. М.: Стан-дартинформ, 2017. 8 с.
6. ГОСТ Р 2.0.182-1.008.16. Изделия, полученные методом аддитивных технологических процессов. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2017. 9 с.
7. Захаров В. Н., Поспелов Д. А., Хазацкий В. Е. Системы управления. М.: Энергия, 1977. 424 с.
8. http://www.ateko.ru
9. https://www.materialise.com
References
1. Gibson J., Rosen D., Staker B. Technology of additive manufacture. The three-dimensional press, fast prototyping and direct digital manufacture. Moscow: Tech-nosphera, 2016, 656 p.
2. State Standard Р 2. Additive technological processes. Base principles. A part 1. Terms and definitions. Moscow: Standardinform, 2017, 22 p.
Сведения об авторах
3. State Standard Р 2. Additive technological processes. Base principles. A part 3. The general requirements. Moscow: Standardinform, 2017, 14 p.
4. State Standard Р 2. Additive technological processes. Base principles. A part 4. Data processing. Moscow: Standardinform, 2017.
5. State Standard Р 2. Additive technological processes. Monitoring and test methods of metal materials of raw materials and production. Moscow: Standardinform, 2017, 8 p.
6. State Standard Р 2. The products received by a method of additive technological processes. Terms and definitions. Moscow: Standardinform, 2017, 9 p.
7. Zaharov V. N, Pospelov D. A., Hazatsky V. E. Managerial systems. Moscow: Energya, 1977, 424 p.
8. http://www.ateko.ru
9. <https://www.materialise.com>
Соколов Юрий Алексеевич — доктор технических наук, заместитель технического директора, ПАО «Электромеханика», 172386, г. Ржев, Заводское шоссе, д. 2, e-mail: s5577@inbox.ru
Гусев Сергей Альбертович — кандидат технических наук, ведущий инженер, ПАО «Электромеханика», 172386, г. Ржев, Заводское шоссе, д. 2.
Лебяжьев Александр Николаевич — генеральный директор ООО «АТЕКО-ТМ», 105094, Москва, ул. Большая Семеновская, д. 42., стр. 7, e-mail: ateko-tm@ateko-tm.ru
Для цитирования: Соколов Ю. А., Гусев С. А., Лебяжьев А. Н. Организация программного обеспечения аддитивного производства. Металлообработка, 2020, № 2, c. 37-48. DOI 10.25960/mo.2020.2.37
UDC 621.791.722; 621.762.04 DOI 10.25960/mo.2020.2.37
Software's organization of additive production
Y. A. Sokolov1, S. A. Gusev1, A. N. Lebjazhev2
1 PSC "Electromecanics", Rzhev, Russia
2 PSC "ATEKO-TM", Moscow, Russia
The questions of the organization of the software of additive production are considered in the article. The main stages of products' synthesis are shown: design of 3-D model of a product in the CAD-systems' surroundings, transformation of the model's file to the format of data of additive production, generation of the operating codes, synthesis of a product, postprocessing of a product. Special attention is paid to algorithms of agglomeration/alloying each of witch means calculation of geometrical form dimensional parameters of alloying's cells. The choice of an algorithm allows to set the stragedy of scanning of a power source.
Keywords: synthesis of products, additive technology, algorithmic ensuring, control system, cells'alloying. Information about the authors
Yury A. Sokolov — Doctor of Engineering Sciences, Assistant of the Technical Director, PSC "Electromecanics", 2, Zavodskoye shosse, Rzhev, 172386, Tver region, Russia, e-mail: s5577@inbox.ru
Sergey A. Gusev — Candidate Engineering Sciences, Leading Engineer PSC "Electromecanics",PSC "Electromecanics", 2, Zavodskoye shosse, Rzhev, 172386, Tver region, Russia.
Alexander N. Lebjazhev — General Director of OSC "ATEKO-TM", bldg. 7, 42, Bolshaya Semyonovskaya, Moscow, 105094, Russia.
For citation: Sokolov Y. A., Gusev S. A., Lebjazhev A. N. Software's organization of additive production. Metalloobrabotka, 2020, no 2, pp. 37-48. DOI 10.25960/mo.2020.2.37
