Επεκτείνοντας συστήματα CAD για προσθετική κατασκευή (Additive Manufacturing)

cellular-fabrication

Η Siemens ενσωματώνει το λογισμικό βελτιστοποίησης τοπολογίας Frustum στο λογισμικό της Siemens NX για τη βελτιστοποίηση της δημιουργίας τρισδιάστατων βιομηχανικών εξαρτημάτων

 

Ακολουθώντας την πολιτική συνεργασίας με την Stratasys (περισσότερα εδώ : https://www.automationworld.com/3d-printing-preps-volume-production), η Siemens επεκτείνει την εμβέλειά της στην αγορά παραγωγής 3D εκτύπωσης / προσθετικής κατασκευής μέσω της συνεργασίας της με την Frustum Inc. Σε αυτή τη συνεργασία, η βελτιστοποίηση της τοπολογίας της Frustum προσφέρεται τώρα ως ολοκληρωμένη ενότητα στο λογισμικό Siemens NX για σχεδιασμό (CAD), παραγωγή (CAM) και ανάλυση (CAE).

Αρχικά θα ήταν χρήσιμο να δούμε το λογισμικό NX της Siemens μεμονωμένα και πριν τη συνεργασία με την Frustum.

Για να γίνει αυτό ας ανατρέξουμε λίγο πιο πίσω…

Ένα σύντομο ταξίδι και η καινοτομία του λογισμικού NX

Στις απαρχές της τεχνολογίας 3D σχεδίασης, 2 τεχνολογίες αναδύθηκαν και μας επέτρεψαν να μετατρέψουμε πιο εύκολα τις δημιουργικές μας σκέψεις σε καινοτόμα προϊόντα, το μοντέλο πολυγωνικού πλέγματος και το μοντέλο brep (boundary representation).

Ας δούμε κάποια τεχνικά χαρακτηριστικά για το καθένα.

  • Το μοντέλο πολυγωνικού πλέγματος

απαιτεί κάποια σημεία/κορυφές στον τρισδιάστατο χώρο. Τα σημεία αυτά είναι σημεία πάνω στο αντικείμενο που θέλουμε να αναπαραστήσουμε. Για τη μετατροπή αυτού του νέφους σημείων σε πολυγωνικό μοντέλο μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλοί μέθοδοι.

Ένα πολύγωνο πλέγμα αποτελείται από κορυφές, ακμές και επίπεδες επιφάνειες που καθορίζουν το πολυεδρικό σχήμα ενός αντικειμένου. Η κορυφή είναι μία θέση στο χώρο. Μία ακμή είναι μία σύνδεση μεταξύ δύο κορυφών, ενώ μία έδρα ορίζεται από ένα κλειστό σύνολο ακμών. Άρα ένα πολύγωνο μπορεί να θεωρηθεί μία σειρά από έδρες.

Στιγμιότυπο οθόνης (3)

 Η πιο κοινή μορφή για τις έδρες του μοντέλου είναι το τρίγωνο. Επομένως έχουμε μία αναπαράσταση επιφάνειας στο χώρο με (τρισδιάστατα) τρίγωνα!

  • Το μοντέλο brep

είναι αυτό που έχει καθιερωθεί στα συστήματα CAD, καθώς παρέχουν πλήρη, έγκυρη και αναμφίβολη αναπαράσταση των αντικειμένων. Χρησιμοποιούνται γνωστές γεωμετρίες όπως οι b-splines.

Τα μοντέλα αυτά αποτελούνται από στοιχεία γεωμετρίας και τοπολογίας.

Τα γεωμετρικά στοιχεία είναι κοινά με τα συστήματα επιφανειών, δηλαδή σημεία, καμπύλες και επιφάνειες. Είναι οι διαστάσεις και οι συντεταγμένες των σημείων του αντικειμένου.

Τα στοιχεία τοπολογίας ορίζονται από τα γεωμετρικά στοιχεία και είναι οι κορυφές, ακμές, έδρες, κελύφη και στερεά, που αποτελούν ένα μοντέλο και καταγράφουν τη σχέση μεταξύ των στοιχείων του αντικειμένου.

Παρατηρούμε λοιπόν τα εξής:

Το μοντέλο πολυγωνικού πλέγματος είναι ευκολότερο στη δημιουργία και χαρακτηρίζεται από υψηλή ταχύτητα αλλά χάνει σε ακρίβεια της αναπαράστασης του ζητούμενου αντικειμένου καθώς για μία πιστή αναπαράσταση απαιτείται τεράστιος όγκος δεδομένων. Επομένως χρησιμοποιείται σε βιομηχανίες όπως gaming, animation και digital mock-up. Τελευταία όμως, αρχίζει να αποκτά και περισσότερες εφαρμογές στη ροή εργασίας μίας βιομηχανίας, καθώς συμβάλλει σε διαδικασίες όπως 3d scanning, medical scanning και 3d printing, εξοικονομώντας χρόνο και κόστος για τη βιομηχανία. 

Εδώ είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι η διαδικασία μετατροπής ενός πολυγωνικού μοντέλου σε μοντέλο brep είναι τεχνικά πολύ δύσκολο!

Επομένως γίνεται αντιληπτό το πόσο χρήσιμο θα ήταν να ενσωματωθούν τα δεδομένα του πολυγωνικού μοντέλου σε μοντέλο brep, χωρίς δηλαδή να χρειάζεται κάποια μετατροπή και εδώ είναι και η καινοτομία του λογισμικού NX! Η χρήση των δεδομένων πολυγωνικού μοντέλου σε ροές εργασίας με μοντέλα brep χωρίς απαιτούμενη μετατροπή με αξιοποίηση των θετικών και των 2 τεχνολογιών είναι κάτι πολύ σημαντικό!

Η πρωτοποριακή αυτή λύση λέγεται Convergent Modeling.

Στιγμιότυπο οθόνης (6)

Η σημασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης

Στη συνέχεια θα ήταν χρήσιμο να αναφερθούμε στα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η τρισδιάστατη εκτύπωση σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους παραγωγής.

Ένα στρατηγικό πλεονέκτημα της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι η δυνατότητα παραγωγής περισσότερο εξατομικευμένων και περίπλοκων αντικειμένων χρησιμοποιώντας ακριβώς όσο υλικό είναι αναγκαίο.

Η εφεύρεση της 3D εκτύπωσης μειώνει τον χρόνο παραγωγής της πρώτης έκδοσης ενός προϊόντος και μας απελευθερώνει από ποικίλα εμπόδια τα οποία συναντάμε στις άλλες μεθόδους παραγωγής. Για παράδειγμα, είναι δυνατόν να τυπώσουμε σύνθετα γεωμετρικά σχήματα και να συμπλέξουμε μέρη χωρίς κάποιο δεσμό. Είναι επίσης δυνατόν να παραγάγουμε μοναδικά αντικείμενα, σε μικρές ποσότητες, με χαμηλό κόστος και γρήγορη διανομή. Επιταχύνεται ο κύκλος σχεδιασμού, παραγωγής και ελέγχου επιτρέποντας στον σχεδιαστή να αξιολογήσει άμεσα τη βιωσιμότητα ενός προϊόντος και να ενσωματώσει αλλαγές σχεδιασμού όπου τυχόν απαιτούνται. Η δυνατότητα να τροποποιήσει κανείς ένα σχέδιο σε απευθείας σύνδεση και αμέσως να δημιουργήσει το αντικείμενο -χωρίς σπατάλη χύτευσης ή διάτρησης- καθιστά την προσθετική κατασκευή έναν οικονομικό τρόπο για τη δημιουργία μεμονωμένων αντικειμένων, μικρών παρτίδων. Τα αντικείμενα μπορούν να κατασκευαστούν μόλις δημιουργηθεί το τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο, εξαλείφοντας την ανάγκη για ακριβές και χρονοβόρο εργαλειακό εξοπλισμό και κατασκευή πρωτοτύπου/καλουπιού.

3d-printing-in-manufacturing1

Οι τεχνικές της προσθετικής τεχνολογίας επιτρέπουν την ταχεία αντίδραση στις αγορές και δημιουργούν νέες δυνατότητες παραγωγής εκτός των εργοστασίων, όπως κινητές μονάδες που μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στην πηγή των τοπικών υλικών. Αυτή η τεχνολογία επίσης συμβάλλει στη μείωση της απώλειας υλικού κατά την παραγωγή. Χτίζοντας αντικείμενα σε αλλεπάλληλες στρώσεις, αντί των παραδοσιακών μεθόδων κατεργασίας όπου αποκόπτεται το υλικό, μειώνονται οι ανάγκες και το κόστος των υλικών μέχρι 90%. Αυτές οι τεχνικές εξοικονομούν ενέργεια με την εξάλειψη των σταδίων παραγωγής, χρησιμοποιώντας ουσιαστικά λιγότερο υλικό, επιτρέποντας την επαναχρησιμοποίηση των υποπροϊόντων, και την παραγωγή ελαφρύτερων προϊόντων

 

Η συνεργασία με τη Frustum

Έχοντας αυτά υπόψη, ας δούμε τι επιπλέον δυνατότητες προσφέρει αυτή η συνεργασία.

Το λογισμικό βελτιστοποίησης τοπολογίας Frustum είναι μία τεχνολογία σχεδίασης που εξομαλύνει το σχήμα ενός προϊόντος αυτοματοποιώντας τη μείωση βάρους και του υλικού, διατηρώντας παράλληλα τη δομική ακεραιότητα. Αυτό το είδος σχεδίασης ονομάζεται Generative design και αποτελεί ολόκληρη κατηγορία λογισμικού που δημιουργεί αυτόματα πολλές επιλογές σχεδιασμού με βάση τους περιορισμούς εισόδου όπως το υλικό, τη λειτουργία, το βάρος και το κόστος!

Η ενσωμάτωση αυτή στο NX επιτρέπει την παραγωγή πλήρως βελτιστοποιημένων, εκτυπώσιμων σχεδίων.

Αυτή η δυνατότητα μειώνει το κόστος που σχετίζεται με τον επανασχεδιασμό και την μετέπειτα επεξεργασία μέρους του σχεδίου.

Και πως γίνεται η βελτιστοποίηση;

Ουσιαστικά δουλεύει με συνδυασμούς επιπέδων, επιφανειών και στερεών και προτείνει τελικά γεωμετρίες που ικανοποιούν τους εισαγόμενους περιορισμούς.

Τελικά, αυτό σημαίνει ότι η ενσωμάτωση της τεχνολογίας της Frustum με τη NX επιτρέπει τη δημιουργία ενός βελτιστοποιημένου σχεδιασμού που μπορεί να βελτιωθεί γρήγορα και να προετοιμαστεί για την παραγωγή προσθέτων χρησιμοποιώντας το Convergent Modeling.

Σύμφωνα με την Frustum, οι σχεδιαστές μπορούν να υπολογίζουν, να βελτιστοποιούν, να προσαρμόζουν και να επικυρώνουν τις επιλογές σχεδιασμού παράλληλα με την εκτέλεση πολλαπλών σεναρίων, ενώ προσθέτουν σημεία εφαρμογής δύναμης και περιπτώσεις φόρτισης. Επιπρόσθετα, οι χρήστες μπορούν να αξιοποιήσουν το Convergent Modeling για περαιτέρω επεξεργασία ή τελειοποίηση των αποτελεσμάτων μιας μελέτης βελτιστοποίησης τοπολογίας για μεγαλύτερη ευελιξία σχεδίασης, αφού είναι σε CAD μορφή.

Μιλώντας για τη νέα αυτή συνεργασία με τη Siemens, ο Jesse Coors-Blankenship, ιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της Frustum, δήλωσε ότι «η δύναμη της τεχνολογίας και της βελτιστοποίησης αφαιρεί μερικά από τα εμπόδια που σχετίζονται με την παρασκευή προσθέτων. Είμαστε ενθουσιασμένοι που θα επιτρέψουμε στους πελάτες της Siemens να σχεδιάσουν πλήρως βελτιστοποιημένα εξαρτήματα, έτοιμα για 3D εκτύπωση, καθώς ξεπερνούν τα όρια της παραδοσιακής CAD γεωμετρίας».

Ο Bob Haubrock, αντιπρόεδρος του λογισμικού προϊόντων για τη Siemens PLM Software, πρόσθεσε

«Η μοναδική τεχνολογία της Frustum ταιριάζει με το όραμα της Siemens, ώστε οι ελεύθεροι βιομηχανικοί σχεδιαστές και μηχανικοί να δημιουργήσουν την επόμενη γενιά εξαρτημάτων και προϊόντων που ταιριάζουν απόλυτα με τις ανάγκες των πελατών της για μείωση στην κατανάλωση ενέργειας, του  κόστους και του χρόνου διάθεσης στην αγορά των προϊόντων αυτών. «