Druk 3D tworzyw i metalu z wykorzystaniem oprogramowania NX

Wraz ze wzrostem popularności technologii przyrostowych, obserwuje się rozwój programów CAD/CAM/CAE wspierających proces przygotowania części oraz wydruku. Z uwagi na fakt, że składa się on z wielu etapów, istotne jest, aby software umożliwiał szybką pracę i możliwość edycji poprzednich kroków.

Rozwiązaniem programu NX jest zamknięcie wszystkich operacji w jednym systemie, co eliminuje konieczność wymiany danych pomiędzy różnymi programami. Znacząco usprawnia to pracę, a w połączeniu z szerokim zakresem dostępnych narzędzi sprawia, że użytkownik otrzymuje produkt unikalny na rynku oprogramowania inżynierskiego.

PROCES PRZYGOTOWANIA MODELU DO WYDRUKU 3D

Proces przygotowania wydruku 3D może rozpocząć się od zamodelowania geometrii, korzystając z pełni możliwości projektowych programu NX, wczytania otrzymanego modelu lub wygenerowania obiektu za pomocą narzędzi do optymalizacji topologicznej. Bez względu na to, od którego etapu rozpoczęto pracę, użytkownik ma do dyspozycji rozbudowane narzędzie pozwalające stworzyć oraz edytować geometrię. Oprócz pracy na najpowszechniejszej wśród programów CAD geometrii ściankowej (ang. B-Rep), program NX umożliwia wprowadzanie zmian bezpośrednio w geometrii fasetkowej (np. zaimportowanej z pliku w formacie STL, 3MF lub chmury punktów), która za to znajduje zastosowanie w technologiach przyrostowych.

Przed przystąpieniem do konfiguracji wydruku należy sprawdzić detale pod kątem ograniczeń technologicznych druku 3D. Zbiór narzędzi Design for Additive Manufacturing umożliwia kontrolę wartości m.in. kąta nawisu, minimalnej grubości ścianki, czy minimalnego promienia krzywizny ścianek.

Program potrafi również sprawdzić bryłę pod kątem występowania zamkniętych wewnętrznych przestrzeni, w których gromadziłby się niespieczony proszek, a także kształt kanałów, np. chłodzenia konformalnego we wkładkach formujących. Otrzymane wyniki nierzadko wymuszają wprowadzenie zmian w modelu, lecz niekoniecznie ograniczają się jedynie do dostosowania modelu do wymagań technologii przyrostowych. Wykorzystanie druku 3D sprawia, że geometria może składać się z elementów, niedostępnych w innych technologiach. Jednym z nich są struktury wypełniające lattice.

STRUKTURY LATTICE

Struktury lattice są stworzone z prętów połączonych w przestrzenną ramę wypełniającą objętość elementu. Mają one istotny wpływ na własności mechaniczne oraz cieplne wytwarzanych części, a także na zdolności pochłaniania energii. Efektem ich zastosowania może być redukcja masy przy zachowaniu lub poprawie właściwości detalu, a dzięki mniejszej ilości niezbędnego materiału, także obniżenie kosztów produkcji.

Polecenie dedykowane tworzeniu struktur lattice pozwala na ich różnorodne tworzenie – wypełnianie objętości, nakładanie powierzchniowe, a także korzystanie z obszernej bazy gotowych komórek elementarnych oraz tych stworzonych przez użytkownika. Ponadto w celu przeanalizowania ostatecznych własności detalu, geometria z modelu CAD może zostać wykorzystana w module obliczeniowym Simcenter 3D. Dane o strukturze lattice zamieniane są automatycznie na elementy 1D, co znacząco skraca czas przygotowanie symulacji oraz przeprowadzenie obliczeń.

Rysunek 1. Detal z zastosowaną strukturą lattice

Kolejną nowością w programie NX wprowadzoną z myślą o technikach przyrostowych jest polecenie do teksturowania. Dotychczas dostępne narzędzia potrafiły jedynie nałożyć płaską reprezentację tekstury na wybrane ścianki oraz wykorzystywać efekty wizualne jak np.: metoda mapowania wypukłości (ang. bump mapping).

Nowa funkcjonalność tworzy rzeczywistą geometrię 3D na podstawie dostarczonego pliku graficznego. Takie przygotowanie modelu jest niezbędne, aby drukarka była w stanie wytworzyć detal z naniesioną teksturą

Rysunek 2. Detal z nałożoną teksturą 3D

Przed przystąpieniem do konfiguracji przestrzeni roboczej detale muszą zostać właściwie zorientowane względem osi drukowania. Jest to zadanie szczególnie ważne, gdyż wpływa zarówno na jakość części, m.in.: zniekształcenia, chropowatość powierzchni, lokalne przepalenia, ale również na własności mechaniczne detali. Ponadto, często czynniki decydujące o optymalnej orientacji wykluczają się nawzajem.

Z tego powodu program NX oferuje narzędzie, które pozwala znaleźć najlepszą orientację minimalizującą parametry: czas wydruku, objętość struktur podporowych, objętość przepalonych regionów oraz pole przekroju warstwy. Dla bardziej wymagających użytkowników dostępne jest osobne narzędzie — Atlas 3D Sunata™. Oprócz wymienionych wcześniej parametrów potrafi ono również uwzględnić odkształcenia termiczne części i znaleźć orientację ograniczającą je.

Rozpoczynając przygotowanie wydruku, komponenty wstawiane są do wirtualnej komory roboczej drukarki. Użytkownik może wykonać to ręcznie lub za pomocą szyku, lecz w celu maksymalnego wykorzystania przestrzeni roboczej, również nesting 3D. Pozwala on automatycznie rozmieścić części przy zablokowaniu zadanych stopni swobody elementów. Zwiększając gęstość upakowania, wydruki są mniej kosztowe oraz szybsze, a przy dodatkowym uwzględnieniu zbliżonego pola powierzchni każdej spiekanej warstwy dla niektórych technologii poprawia się jakość wyrobów.

Dla części znajdujących się w komorze roboczej mogą zostać wygenerowane struktury podporowe. Wykorzystując opcję automatyczną, program tworzy podpory tylko dla tych regionów, które nachylone są do kierunku wydruku, przekraczając maksymalny kąt nawisu. Użytkownik czynności te może wykonać również ręcznie. Niezależnie, w jaki sposób struktury te będą generowane, program NX oferuję bazę zawierającą 10 różnych typów podpór, a ponadto może być rozbudowana o bazę dostępną w drukarce oraz podpory stworzone przez użytkownika.

Rysunek 3. Struktury podporowe w NX

Po ukończeniu konfiguracji, jeszcze przed wysłaniem wydruku na drukarkę, program NX pozwala na przeprowadzenie symulacji procesu druku. Redukuje ona do minimum konieczność wykonywania wydruków kontrolnych, znacznie przyspieszając i obniżając koszty procesu. W wyniku symulacji użytkownik otrzymuje informację o zniekształceniu części oraz rozkładzie temperatur w trakcie wydruku.

Ponadto sprawdzane jest prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji z recoaterem maszyny. Co ważne, na podstawie otrzymanych danych, program jest w stanie skompensować zniekształcenia w geometrii modelu. Pozwala to zamienić oryginalne pliki na odkształcone w przeciwną stronę do kierunku zniekształceń po wydruku. W efekcie geometria gotowych elementów jest maksymalnie zbliżona do pierwotnej z pliku CAD.

Rysunek 4. Symulacja procesu druku

Gdy wirtualna komora robocza drukarki jest już skonfigurowana, wydruk można wysłać do drukarki. Czynność ta odbywa się bezpośrednio w programie NX, co eliminuje konieczność eksportu modelu do formatów pośrednich (np.: STL, czy 3MF) oraz importu do zewnętrznego oprogramowania. Jest to znaczące ułatwienie, a ponadto usprawnia wprowadzanie zmian, gdyż wszystkie operacje, które zostały wykonane przed zleceniem wydruku, są w pełni edytowalne.

Dane wysyłane na drukarkę, czyli podział na warstwy i przejazdy lasera na każdej z nich, są możliwe do skontrolowania jeszcze przed rozpoczęciem wydruku. Za pomocą wbudowanej przeglądarki plastrów użytkownik potrafi skontrolować przebieg pracy drukarki, a gdy jest taka konieczność wprowadzić konieczne modyfikacje.

Opisane w niniejszym artykule narzędzia dostępne w programie NX zamykają proces przygotowania modelu oraz wydruku w jeden system CAD/CAM/CAE. Możliwość tworzenia, edycji i sprawdzania detali, modelowania innowacyjnych struktur oraz konfiguracji komory drukarki rozbudowana jest o paletę narzędzi symulacyjnych. Pozwalają one zbadać własności wydruku, poprawnie zorientować go w drukarce oraz otrzymać informację o zniekształceniach oraz przepaleniach na drodze symulacji druku. Dodając bezpośrednie połączenie z drukarką, otrzymujemy jedyny na rynku tak kompleksowy program dedykowany technologii druku 3D.