Siemens NX - wsparcie w zadaniach związanych z drukiem 3D i geometrią fasetkową

Przemysłowy druk 3D to kolejny obszar włączony do oprogramowania Siemens NX – najbardziej zintegrowanego systemu CAD/CAM/CAE na rynku.
Projektowanie modeli od podstaw, ustawienie gotowej geometrii w komorze wydruku przy wykorzystaniu podpory lub nesting, sprawdzenie czy po wydruku model będzie miał odpowiednią wytrzymałość, dostosowanie skanu 3D do potrzeb bez korzystania z inżynierii odwrotnej - te i inne działania wykonać można przy pomocy Siemens NX. Siemens NX –  to kompleksowe wsparcie w zadaniach związanych z drukiem 3D i geometrią fasetkową.

Odkąd Siemens Digital Industries Software wdrożył w swoim flagowym produkcie CAD/CAM/CAE technologię o nazwie Convergent Modeling, stało się jasne, że przynajmniej część prac wykonywanych w ramach inżynierii odwrotnej będzie mogła odejść w zapomnienie. Oczywiście funkcjonalności z zakresu inżynierii odwrotnej, jak np. dopasowanie kształtów analitycznych do określonych obszarów geometrii fasetkowej są dostępne, jednak w wielu przypadkach nie ma konieczności korzystania z nich. Dzieje się tak za sprawą modelowania konwergentnego, które oferuje operowanie na geometrii fasetkowej w taki sposób, jak gdyby była to geometria B-rep. Co to oznacza w praktyce? Po zaimportowaniu do NX CAD geometrii fasetkowej, np. STL pochodzącej ze skanera 3D, można np. za pomocą zwykłej bryły i narzędzia Różnica (Substract) odjąć pewną objętość geometrii fasetkowej. Następnie w tym miejscu można zamodelować nowy, ulepszony kształt i operacją Suma (Unite) dodać jego objętość do pozostałej geometrii. Poniżej przykład wykorzystania modelowania konwergentnego w Siemens NX.

Rys. 1  Przykład wykorzystania modelowania konwergentnego w Siemens NX

Nie było tu konieczności stosowania inżynierii odwrotnej, która wymaga odpowiednich umiejętności i zwykle zajmuje dużo czasu. Nie ma jej także wówczas, kiedy np. chcemy dodać do geometrii fasetkowej takie cechy szczegółowe jak fazy, zaokrąglenia, otwory, wycięcia, odsunięcia ścianek (offset) i wiele innych. Ukoronowaniem funkcjonalności z zakresu modelowania konwergentnego jest w Siemens NX modelowanie wielokątowe oraz środowisko Morph Mesh, służące do morfingu, czyli przekształcania geometrii fasetkowej w sposób plastyczny, poprzez translację lub rotację określonych regionów. Cały zaimportowany obiekt otoczony jest pewnego rodzaju klatką przestrzenną, na którą składają się różnego rodzaju i działania manipulatory, umożliwiający wspomniany morfing (rys 2.).

Rys. 2 Morfing geometrii fasetkowej w Siemens NX za pomocą otaczającej siatki manipulatorów

Kiedy importowana geometria fasetkowa obarczona jest niedoskonałościami, np. z powodu uszkodzeń obiektu fizycznego lub trudnościami w skanowaniu, Siemens NX oferuje szereg narzędzi do jej naprawy (rys. 3). Znaleźć tu  można narzędzia służące m.in. do ponownego fasetkowania (często fasetki są nieregularnego kształtu i wielkości), do zmniejszenia lub zwiększenia ilości fasetek na danym obszarze, do wygładzenia, do wypełnienia otworów, czy do urywania niepożądanych obszarów. Do tego dochodzą oczywiście wszelkie polecenia z zakresu modelowania powierzchniowego czy bryłowego, dzięki czemu użytkownik jest w stanie oczyścić, naprawić i odbudować niedoskonałą geometrię.

Rys. 3 Efekt wygładzania mocno zniekształconej geometrii fasetkowej

Technologia wytwarzania przyrostowego umożliwiła zmianę podejścia do modelowania kształtów przeznaczonych do druku 3D. Siemens NX oferuje w tym względzie dwie ciekawe funkcjonalności. Pierwsza z nich to optymalizacja topologii modelu, która polega na utworzeniu bionicznego kształtu spełniającego założone kryteria funkcjonalne. W oparciu o solwer NX Nastran, po określeniu warunków brzegowych i materiałowych, a także celu optymalizacji, można uzyskać kształt dostosowany do potrzeb, a przy tym zmniejszający użycie materiału. Dalsze zmniejszenie masy modelu da się uzyskać za pomocą drugiej funkcjonalności, czyli NX Lattice, oferującej dodanie struktury siatkowej do określonych obszarów modelu. Przed przystąpieniem do druku, w Simcenter (NX CAE) można wykonać szereg analiz wytrzymałościowych elementu wyposażonego. Analizy uwzględniają geometrię siatkową czy też zoptymalizowaną topologicznie, umożliwiając także porównanie ze sobą różnych wersji danego modelu (rys. 4).

Rys. 4 Analiza porównawcza obiektów ze strukturami siatkowymi oraz po optymalizacji topologii

Wykorzystując wbudowane w Siemens NX funkcje sprawdzające elementy przeznaczone do druku 3D, użytkownik jest w stanie zweryfikować, czy np. dany model zawiera w sobie jakieś zamknięte puste przestrzenie, lub czy geometria kanałów chłodzących pozwoli na usunięcie z nich resztek proszku po zakończeniu druku. Określić da się także minimalne grubości ścianek modelu, sprawdzić, gdzie wymagana jest struktura podporowa, a przede wszystkim automatycznie ustawić układ współrzędnych wydruku, aby zoptymalizować np. czas wydruku lub ilość materiału podporowego. To jedynie kilka przykładów.

Kiedy gotowy jest kształ, właściwości czy umiejscowienia na stole, czy komorze drukarki, można przystąpić do bezpośredniego uruchomienia druku z poziomu Siemens NX. W środowisku NX Additive Manufacturing da się skorzystać z wbudowanych procesorów wydruku (dla HP MultiJet Fusion) czy też podpiąć zewnętrzne procesory dla drukarek innych producentów. Siemens NX oferuje w tym zakresie zdefiniowanie strategii wydruku, np. dla konkretnych proszków metali czy tworzyw sztucznych. Jeśli istnieje potrzeba drukować wiele elementów na raz, do dyspozycji jest automatyczny nesting w komorze drukarki, w którym można uwzględnić odpowiednią strategię rozmieszczenia, np. celem ograniczenia wysokości druku (rys. 5).

Modele przeznaczone do druku z proszku metalu można uzupełnić o materiał podporowy, którego lokalizacja ustalana jest automatycznie na podstawie analizy nachyleń ścian. Dostępny jest również tryb ręczny, w którym to użytkownik decyduje w którym miejscu i jakim kierunku występuje podpora. Inne dostępne modyfikacje to m.in. porowatość, nachylenie i przesunięcie czy definicja rodzaju wypełnienia. We wbudowanym w Siemens NX inspektorze jesteśmy w stanie zweryfikować warstwa po warstwie przebieg wydruku, po czym bezpośrednio – mając do dyspozycji drukarkę z listy zintegrowanych urządzeń – uruchomić zadanie druku.​



Rys. 5 Automatyczny nesting zadba o optymalne rozmieszczenie części w komorze drukarki

W oprogramowaniu NX odnaleźć można narzędzia adresowane dla różnych osób, zajmujących się różnymi etapami pracy z geometrią fasetkową oraz drukiem 3D. Poniżej przykładowy przepływ pracy w zakresie zadań związanych z drukiem 3D oraz pracy z geometrią fasetkową:

Źródło: GM System