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新しい CAD/CAM プログラミングおよびシミュレーション ソフトウェアが付加製造プロセスにどのように役立つか

製造分野では、アディティブ マニュファクチャリング (AM) プロセスはまだ新しい分野です。添加剤は数十年にわたって使用されてきましたが、比較的最近まで、主にプロトタイピング アプリケーションや短期間の生産での使用に追いやられていました。しかし、新しい金属付加プロセスにより、AM の可能性は劇的に拡大しました。興味深い技術と見なされていたものから、より現実的な製造プロセスへと拡大し、現在では GE やロッキードなどの大手メーカーが、航空機エンジンやその他のミッション クリティカルなコンポーネントやアセンブリ用の金属 AM 部品を製造するために、より広く使用されています。 AM プロセスの普及に伴い、新しい CAD/CAM プログラミング ソフトウェアと関連するシミュレーション パッケージが、アディティブのレイヤーごとのプロセスに関する問題のいくつかに対処し、ジェネレーティブ デザインを備えたアディティブ ワークフロー ツールを追加し、さらに広範な 3D ビジュアライゼーションおよびトポロジー最適化技術を追加しています。メーカー向け。これらの新しいソフトウェア パッケージの多くは、ハイブリッド型のアディティブ/サブトラクティブ マシン ツールの新しいクラスでメーカーを支援することも目的としています。

不可能を可能にする

新しいアディティブ ソリューションの重要な目標の 1 つは、大幅に改善された設計を生成することです。アディティブでの CAD/CAM プログラミングにより、製品開発エンジニアは、以前は製造が不可能と考えられていた部品を簡単に設計できるようになります。 「Autodesk は、設計の最適化からビルドの準備、シミュレーション、ポスト プロダクションまで、アディティブ マニュファクチャリングの完全なエンド ツー エンドのワークフローを構築し、デザイナーやエンジニアがプロトタイピングから連続生産に移行するのを支援しています。 Manufacturing and Composites、Autodesk Inc. (カリフォルニア州サンラファエル)。 「現在、ジェネレーティブ デザインを追加して、デザイナーが以前には不可能だった方法で [AM] の可能性を最大限に探求し、実現できるようにしています。」

連続生産における AM の新しい機能は重要な開発であると Scott 氏は述べています。 「業界が新しい材料とプロセスで進化するにつれて、ユースケースは、小型、複雑、および/またはカスタマイズされた部品から、より低コストの機械と材料が市場に参入するにつれて、より大きな部品にまで広がります」と彼は付け加えました. 「主要な特許が期限切れになると、ハードウェアのコストが劇的に低下するのを目の当たりにしてきました。最初はポリマーの分野で、FDM [溶融堆積モデリング] マシンが 40,000 ドルから 400 ドルに下落し、次に SLA [ステレオリソグラフィー装置] マシンが同様の価格から 3000 ドルに下落し、現在、SLS [選択的レーザー焼結] マシンは 150,000 ドルから 10,000 ドルに値下がりしています。私たちは現在、添加金属プロセスの新しい波を目の当たりにしています。以前は 1 台のマシンをセットアップするのに 100 万ドルかかっていましたが、現在では約 10 万ドルで新しいマシンを購入できます。部品の製造に必要な投資のこの大幅な削減は、現在比較的小さな市場を劇的に拡大するでしょう。」

AM プロセス用のソフトウェアにジェネレーティブ デザイン機能を追加することで、設計者に大きな利点がもたらされると Scott 氏は主張しています。 「ジェネレーティブ デザインにより、デザイナーやエンジニアは、従来の CAD ソフトウェアでは想像や実行が不可能だったデザインの制約や製造プロセスに基づいてソリューションを探索できます」と彼は言いました。 「ジェネレーティブ デザインは、既存の形状を採用し、FEA [有限要素解析] ソルバーに基づいて質量を単一の最適化された設計に削減するトポロジー最適化だけでなく、複数の目的と複数の製造プロセスに基づいて幾何学的なソリューションを作成し、複数のソリューションを提供します。その後、これらのソリューションを反復してジオメトリをさらに改良し、そのまま製造するか、ガイドとして使用して、提供されるソリューションに基づいて、設計に対する設計者のアプローチを知らせることができます。」

オートデスクは来年初めに、現在ベータ テスト中の Netfabb 2018 アディティブ/3D プリンティング ソフトウェアの次のバージョンをリリースします。これには、ジェネレーティブ デザイン機能を含む新機能が追加されます。 「従来のサブトラクティブ プロセスとアディティブ マニュファクチャリングの関連性は、設計エンジニアの要件を満たす最適な機械制御を作成するために、特定の機械と材料の組み合わせを深く理解する必要があるということです」と Scott 氏は述べています。また、ほとんどの金属 AM 部品は、印刷後にサブトラクティブ マシンで加工して、アセンブリ内の他の部品と接合する部品の表面品質と公差を確保することが重要です。」オートデスクは完全なワークフローを提供しており、アディティブと本質的なサブトラクティブの後処理の両方に同じ CAD ファイルを使用できると彼は付け加えました。

「製造ワークフローでアディティブやサブトラクティブなどの個別のプロセスを組み合わせるには、通常、複数のステップが必要であり、多くの場合、異なるマシンで行われます。これは正確で自動化されている必要があります。設計とエンジニアリングの意図から始まり、プロセスの各ステップで何が起こるべきかをシミュレートするデジタル プロセス スレッドがあり、元のデータに基づいて構築する必要があります」と Scott 氏は述べています。 「また、検査と適応ループまたはフィードバック ループを使用して、変動を検出して補正し、現実世界での進行状況を監視する必要があります。これらのプロセスも結合する必要があります。」

昨秋、Siemens PLM Software (Plano, TX) は、「Additive Manufacturing with NX」ソリューションを発表し、今年初めに Siemens Part Manufacturing Platform を追加しました。これは、アディティブ コンポーネントのバイヤーとセラーのマッチングを目的としたオンライン コラボレーション サービスです。 4 月には、Siemens AG (ミュンヘン) が所有するソフトウェア開発会社は、長年にわたるアディティブ/3D プリンティング ソフトウェア プロバイダーの Materialise NV (ベルギー、ルーベン) との広範な技術パートナーシップを発表しました。これにより、Materialise Magics 3D Print Suite AM ソフトウェアが完全に統合されます。 Siemens の NX ソフトウェアを使用します。この組み合わせにより、Materialize の専門知識と Siemens PLM の NX コア CAD/CAM/CAE の強みがもたらされます。これには、シミュレーションベースの最適化ツールを使用した広範な設計機能が含まれます、と Siemens PLM のマーケティング、製造エンジニアリング ソフトウェアのシニア ディレクターである Aaron Frankel 氏は述べています。

シーメンスのアディティブ戦略は 3 つの柱を特徴としており、まず NX を使用したアディティブ マニュファクチャリングに始まり、これには同社の NX および Teamcenter PLM 製品が含まれます。 「それが私たちがデジタル チェーンと呼んでいるものであり、コアは未来に向かって進んでいます」と Saar 氏は述べています。 Siemens は、EOS、Stratasys、DMG Mori、HP などを含む多くのアディティブ プレーヤーと連携する新しいプリンター インターフェイスを備えた、ソフトウェアの 3 ～ 6 か月のアップデートをリリースする予定である、と彼は言いました。

「私たちの意図は、添加剤を産業段階に進めることです」とサール氏は述べ、Materialize をシーメンスの大規模な NX 産業用インストール ベースに統合しました。その一例が、添加剤を使用して航空機エンジン用の大型ノズルを製造する GE です。 「これを実現したのは、設計エンジニアとシミュレーション エンジニアの間に、おそらく 20 ～ 30 人の小さなグループがあり、そこにはおそらく 4000 人の設計エンジニアがいます。私たちの目標は、それを大幅に拡大することです。 GMには10,000席のデザインシートがあります。彼らはアディティブ マニュファクチャリングを再考する必要があります。」

「私たちが市場で見ているのは、中規模および大規模の企業が、技術を理解するためにアディティブ マニュファクチャリング ワークグループを作成していることです」と Frankel 氏は述べています。 「大きな学習曲線があります。企業は、何が機能するかを確認するためにさまざまな異種テクノロジーを採用していますが、そのアドホックな環境は拡張できません。企業はエンド ツー エンドのソリューションを用意する必要があり、単一のソリューションでそのデータとプロセスを管理できる必要があります。」

ハイブリッド積層造形の台頭

DMG Mori や Mazak からのエントリーを含む、アディティブ向けの新しい CAD/CAM ソリューションの多くは、最新のハイブリッド アディティブ/サブトラクティブ マシン ツールのプログラミングまたはシミュレーションに重点を置いています。 AM 部品はほぼ完全な形状ではなく、中程度から大規模な仕上げが必要なため、ハイブリッドは多くの工作機械ユーザーにとって実用的なアプローチです。ハイブリッド マシンは高価ですが、最近は手頃な価格になりました。

Siemens の戦略は、すべての AM マシン、特に DMG Mori や Mazak などの同社のパートナーのハイブリッド ユニットをサポートすることを目的としています。シーメンス PLM の Frankel 氏は、次のように述べています。これらの技術のうち、最も一般的なのは粉末床融合であり、シーメンスはノズル付きの 2D プリンターを使用する HP の新しいマルチジェット融合をサポートしていると Saar 氏は述べています。このマシンには、1 色だけで印刷する 3D ボクセル技術が搭載されていますが、複数の色で印刷することができます。 「未来は非常にスケーラブルです」と Saar 氏は言います。

ハイブリッド マシンは多くの CAD/CAM 開発者にとって魅力的であり、Vero Software (イギリス、レディング) は、Edgecam やその他の CAM ソフトウェア向けに、将来、おそらく来年 4 月頃にハイブリッド アディティブ マシニング モジュールをリリースする予定である、と Raf Lobato 氏は述べています。戦略製品ディレクター。エネルギーの直接堆積、修復、機能の成長、およびクラッディングはすべて、このタイプのソフトウェアの重点分野であると彼は指摘しました。 「添加剤を最大限に活用するために、それは実際には単独で生きることはできません。 「追加」領域は、場合によってはサブトラクティブで準備する必要があり、最後に材料を追加した後、通常はサブトラクティブで仕上げる必要があります」と Lobato 氏は述べています。

多くの付加的なプロセスを改良するには、さらなる研究が必要であると彼は指摘しました。 「実際には、材料を効果的に追加する方法がまだわかっていません」と Lobato 氏は、直接エネルギー堆積について説明しました。 「コンポーネントに材料を追加しても、完璧にはなりません。」堆積された材料はニアネットシェイプに近くないため、部品を完成させるためにサブトラクティブ仕上げ加工プロセスが必要です。 「素晴らしいニュースは、このプロセスで堆積された追加材料が、場合によってはベース材料よりも硬いことをテストが示していることです」と、このようなクラッディング操作でこれらの金属コンポーネントに 100% 近くの高密度金属が追加されると Lobato 氏は述べています。 /P>

一例では、航空機のタービン ブレードを修理するには、ブレードの亀裂があった場所に金属を追加するだけでなく、部品から V 字型の材料を切り取る必要がありました。ロバト氏は、「ここでも、減算操作が必要な場所を確認できます」と述べ、ジョブを完了するために減算プロセスと加算プロセスの両方が必要になる場合があることに同意しました。 「それが私たちの信念です。また、材料を追加するのは簡単ではありません。」

ロバト氏は、ソフトウェアとハ​​ードウェアの両方の技術の向上に加えて、速度、柔軟性、そしてもちろんコストの改善が、アディティブの成長にとって重要であると述べています。 「当社はクラーケン プロジェクト (http://krakenproject.eu/) に参加しています。これは、従来よりも精度の高いソリューションを備えたロボットによる大型部品の付加製造に関するものです。」

もう 1 つの新しいエントリは、CAD/CAM 開発者の DP Technology Corp. (カリフォルニア州カマリロ) からのもので、8 月に金属付加製造用の Esprit Additive Software スイートを発表しました。このソフトウェアは、時間のかかる加法的プログラミング プロセスをいくつかの簡単なステップに簡略化するのに役立つと言われています。

「今日の CAD/CAM ソフトウェアは、マルチタスク、マルチファンクション、マルチチャネル、ミルターン、アディティブおよびサブトラクティブ マシン ツール用の強力なプログラミングを提供し、アディティブおよびサブトラクティブ プロセスを単一のユーザー フレンドリーなインターフェイスで一緒にプログラム、最適化、およびシミュレートする必要があります。」 DP Technology のエグゼクティブ バイス プレジデントである Chuck Mathews は、次のように述べています。新しい Esprit Additive モジュールは、2018 年半ばに利用可能になる予定です。 DP Technology は DMG Mori および Mazak と強力なパートナーシップを結んでおり、モジュールはこれらの企業のハイブリッド マシンのユーザーに追加プログラミングを提供します。

PTC (ニーダム、マサチューセッツ州) は Creo 4.0 で、軽量構造の設計と最適化を改善し、印刷する部品、その位置、材料、色などを保存できる新しいアセンブリ サブタイプを定義する機能を含む付加製造プラットフォームをリリースしました。と、Creo Manufacturing および Simulation アプリケーションのプロダクト マネージャである Jose Coronado 氏は述べています。アディティブ ソリューションには、3D プリンターの機能についてデザイナーに直接フィードバックを提供するための接続機能も含まれており、これは設計段階で検討されます。

「Creo ユーザーのかなりの割合が、アディティブ マニュファクチャリングのパイロット プロジェクトを現在実施中、または実施を検討していると述べています」と、コロナド氏は述べています。 「また、すでに顧客の敷地内にある多くのプラスチック プリンターは、試作品の作業からツールや固定具の製造、または直接最終部品の製造に移行しています。この変化を可能にする要因の 1 つは、Creo で利用できる新しい機能です。これにより、エンジニアは最適化された格子を設計し、Stratasys および 3D Systems のプラスチック プリンターに直接接続できます。

「PTC の Creo 向けロードマップには、より多くの格子タイプ、B-Rep [境界表現] モデルに統合されたトポロジー最適化、金属印刷プロセスのサポートなどが含まれており、すべて Creo を離れずに実行できます」と彼は続けます。 「しかし、ユーザーは待つ必要はありません。 PTC の現在の加算機能と減算機能が共存し、CAD モデルとシームレスに統合されています。同じ 3D モデルを使用して、1 つまたは複数のパーツをプリントするトレイ アセンブリを準備できます。次に、穴あけ、正面フライス加工、バリ取りなどの後処理が必要な場合は、同じ 3D モデルを使用して対応する NC ツールパスを作成します。」

GibbsCAM 3D Systems の製品マネージャーである Daniel Remenak 氏によると、アディティブの初期のパイオニアである 3D Systems (サウスカロライナ州ロックヒル) は、昨年導入された 3DXpert 金属アディティブ マニュファクチャリング ソフトウェアとともに、アディティブおよびサブトラクティブ製造の専門知識も提供しています。 「3DXpert は、印刷の準備、サポートと構造の最適化、スライス、さらには印刷後の操作における高度な機能を備えた、金属付加製造向けのオールインワン ソフトウェア ソリューションです。」

Mastercam の開発者である CNC ソフトウェアは、アディティブに特化したモジュールをリリースしていませんが、同社は「現在、そして技術が拡大し続ける中で、どのアディティブ ソフトウェア アプローチがお客様にとって最も役立つかを評価しています」とシニアの Ben Mund 氏は述べています。マーケット アナリスト、CNC Software Inc. (コネチカット州トーランド)。

「表面仕上げの最初の問題は、利用可能な材料と同様に劇的な改善が見られ、高温および構造材料、柔軟な材料、および複合材料へのさらなる開発が進んでいます。これらの問題が改善されるにつれて、このプロセスはますます多くの場所で使用されるようになるでしょう」と Mund 氏は述べています。 「より手頃な価格の金属印刷も、業界を前進させるでしょう。現在、新しいタイプのより手頃な基板注入金属でそれが起こっていることがわかります.

「加法と減法が協調して使用される場所もたくさんあります」と彼は言いました。 「これは、サブトラクティブ加工用のアディティブ フィクスチャの作成から、仕上げ加工が必要なアディティブ パーツの作成まで、多岐にわたります。そしてもちろん、アディティブが唯一の選択肢であるサブトラクティブでは製造できない部品が常に存在します。」

hyperMill CAD/CAM ソフトウェアの開発者である Open Mind Technologies USA Inc. (ニーダム、マサチューセッツ州) では、hyperMill 内のオプションである添加剤固有のモジュールを使用して AM プロセスをサポートする能力があると、マネージング ディレクターの Alan Levine 氏は述べています。 Open Mind は 10 年近くアディティブ マシニングに携わってきた、と Levine 氏は付け加えた。 「私たちの焦点は、レーザー ベースの金属蒸着プロセスのプログラミング サポートです。この取り組みは、高度な 5 軸への取り組みと一致しており、顧客ベースからのフィードバックも含まれています。現在、私たちはマシン パートナーや主要なエンド ユーザーと協力してプロジェクトに取り組んでおり、新しいテクノロジーの実装と確認を行っています。私たちのプロセスは、サブトラクティブ加工用のパッケージである hyperMill の進行中の開発と一致しているため、この作業は合理化され、現在のアプローチ内でエレガントに実行できます。」

アディティブ パウダー ベッド マシンは、今日の市場のより大きなセグメントを構成している可能性がありますが、Open Mind の焦点は、新しい部品の製造 (多くの場合 5 軸マシンを使用) および金型と金型およびエネルギーのメンテナンスと修理に適用されるレーザー蒸着です。レヴィンへ。 「レーザー蒸着プロセスでは、一般に、後で除去する必要があるオーバーハングをサポートするためのインプロセス構造は必要ありません」と Levine 氏は述べています。 「また、レーザー蒸着はハイブリッド加工に適しています。」

約 1 年前、Open Mind は、パートナーであり、コンポーネント モジュールの開発者である MachineWorks (シェフィールド、英国) から、付加的な新しいシミュレーション サポートを追加しました。 「アディティブ プロセス向けのソフトウェア開発は、主要なユーザーやマシン パートナーとの経験と協力に基づいています。現在製造されているさまざまな部品は、ソフトウェアとプロセス ワークフローの改良につながります。パスの塗りつぶしと境界、開始点の制御、レーザー トリガーに関する付加的な処理の基本的な要件は、既にソフトウェアに実装されています」と Levine 氏は述べています。 「ワークピース モデルは絶えず成長しているため、衝突チェック手順にも細心の注意が必要です。また、適切な粉末堆積のために堆積ヘッドには特定の焦点距離が必要です。」

NC およびアディティブ プロセスのシミュレーション

あらゆる製造プロセスと同様に、金型、治具、工作機械の製造品質と安全性を確保するには、金属切削と金属成形の動作を正確にシミュレートすることが重要です。最近まで、AM プロセスを適切に視覚化するためのシミュレーション ソフトウェア ソリューションはほとんどありませんでした。

ピッツバーグで開催された Rapid/TCT ショーで、最新の Vericut バージョン 8.1 NC シミュレーション、検証、および最適化ソフトウェアは、研磨中の連続的なドレッシングだけでなく、積層造形およびハイブリッド製造オペレーションをシミュレートするための新しい機能を導入した、と CGTech の Vericut のプロダクト マネージャーである Gene Granata 氏は述べています。 (カリフォルニア州アーバイン)。 「これらの新しい方法は、従来の切削方法 [フライス加工、旋盤加工、5 軸加工など] や、ほぼすべてのブランドの CNC マシンで、任意の順序で使用できます。新しいソフトウェアには、ワークピースの切断、X-Caliper 測定ツール、Force ツールパスの最適化、製造プロセスを自動的に文書化するためのレポートの設定も強化されています。

「アディティブ マニュファクチャリングの魅力は、デザイナーや NC プログラマーに多くのユニークな課題をもたらします」と彼は続けました。 「人々は、可能な限り効率的に優れた製品を作るために、部品を別の方法で考え、設計し、プログラムするように自分自身を再訓練しています. Vericut などのシミュレーション ソフトウェアは、NC プログラマーが使用する順序で各プロセスを視覚化して検証し、製造戦略を比較し、コストのかかるクラッシュや製造中の機械、工具、および部品の損傷を防ぐための非常に貴重なツールです。」ハイブリッド マシンは一般的に高価であり、通常、特定の企業での供給は限られている、と彼は付け加えました。レーザーやその他のアディティブ機器の修理部品や技術者も見つけるのが難しい場合があります。 「シミュレーション ソフトウェアは、潜在的な問題を発生前に軽減するための費用対効果の高い保護手段を提供します。」

アディティブ プロセスで製造されたパーツをプログラミングする新しい方法を見つけることは、NC プログラマーにとって新たな課題です。 「加法的、減法的、またはハイブリッドな方法を採用するオプションがあると、プログラマーは、以前は不可能と考えられていたことを行うために、以前の「快適ゾーン」を超えて考えるようになることがよくあります」と Granata 氏は述べています。 「アディティブ マニュファクチャリングのための新しい設計 [DFAM] とアディティブ NC プログラミング機能は、新しい CAD/CAM リリースごとに登場するようです。これらの機能強化は、アディティブ NC プログラマーにより多くのオプションを提供することを目的としていますが、学習曲線も増加します。資料がどこに保管され、どこに保管されていないかを頭の中で把握することは困難です。」

あらゆる生産プロセスに添加剤を組み込むと、複数の問題が生じるとグラナタ氏は述べています。 「NC オペレーションの計画と順序付けを間違えると、機械のコンポーネント、アディティブ機器、または部品が損傷する可能性があります。シミュレーションは当て推量を取り除き、リスクを最小限に抑え、部品がどのように作られるか、プロセス全体で部品の正確な表現を示します。」 Vericut Additive モジュールは、ハイブリッド マシンで任意の順序で使用されるアディティブおよび従来の機械加工機能の両方をシミュレートします。 「すべての操作をシミュレートすることで、加算法を統合するときに発生する可能性のある潜在的な問題を特定できます。ユーザーは、Vericut の現実的なドロップレット技術で保存された詳細な「履歴」にアクセスできます。これにより、ほとんどの場合、マウスを 1 回クリックするだけで、部品の特徴がいつ加工されたか、およびエラーの原因を特定できるため、プログラマーの時間を節約できます。」

このアディティブ機能は、正確なレーザー クラッディングと材料の堆積をチェックし、機械とアディティブ パーツ間の衝突を検出し、エラー、ボイド、材料の配置ミスを発見します。 「最高の精度を得るために、Vericut は、CNC マシンの駆動に使用される同じ後処理済み NC コードをシミュレートし、AM 機能とレーザー パラメータの適切な使用を保証します。ユーザーは、追加プロセスと金属除去プロセスを任意の順序で組み合わせて仮想的に実験し、最適な安全なハイブリッド製造方法を決定できます。」