Historia podróży głowicy cylindra silnika morskiego od koncepcji do wdrożenia podkreśla nowe odkrycie, które może przyspieszyć rozwój druku 3D elementów metalowych w różnych gałęziach przemysłu.
Kiedy Francesco Trevisan, starszy ekspert ds. produkcji addytywnej w Wärtsilä Marine, postanowił zaprojektować idealną głowicę cylindra silnika morskiego; taką, która ważyłaby mniej i działała lepiej niż cokolwiek innego przed nią, zdecydował się zaprojektować ją do druku 3D z metalu. Technologia ta umożliwiłaby mu tworzenie złożonych struktur kratowych, oszczędzających materiały organicznych kształtów i konsolidację wieloczęściowych zespołów w jedną całość.
Po wielu pracach projektowych i wirtualnych symulacjach okazało się, że jest niemal idealny. Był o 60% lżejszy w porównaniu z oryginalnym projektem do tradycyjnej produkcji. Zintegrował do dziesięciu podsystemów w końcowym komponencie, zmniejszając złożoność montażu i poprawiając wydajność chłodzenia. Był to innowacyjny projekt, który miał przyczynić się do realizacji celów Wärtsilä w zakresie neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla wysyłki i produkcji energii.
To po prostu nie mogłoby się udać.
Przeszkodą nie była integralność jego projektu ani możliwości wielkoskalowej drukarki 3D do łączenia proszków laserowych. Nie był to również metalowy proszek. Problemem był rozmiar pliku cyfrowej części.
Teraz jednak współpraca firm zajmujących się oprogramowaniem nTop i Materialise Magics przyniosła rozwiązanie pozwalające zmniejszyć rozmiar pliku części o około 90%. To osiągnięcie nie tylko umożliwi firmie Wärtsilä produkcję głowicy cylindra na dużą skalę, ale może również przyspieszyć wdrażanie druku 3D elementów metalowych w niemal każdej branży.Modelowanie ukryte dla produkcji addytywnej
Wąskie gardło w projektowaniu dla złożonej produkcji addytywnej metali
Wcześniej złożone projekty Trevisana dotyczące części silników lub wymienników ciepła skutkowały plikami projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) o rozmiarze od 7 do 10 gigabajtów. Modele CAD z ogromną liczbą funkcji, takich jak niezwykle dopracowane siatki, rozciągają możliwości dzisiejszego oprogramowania rozmiarami plików i czasami przebudowy, które rosną wykładniczo wraz z rozmiarem części.
Głowica cylindra silnika morskiego o wymiarach około 500 x 500 x 450 mm została jednak zoptymalizowana pod kątem druku 3D w oprogramowaniu do „projektowania obliczeniowego” firmy nTop, co pozwoliło Trevisanowi dodać bardzo złożone szczegóły, takie jak kratownice i kanały wewnętrzne, a także połączyć części w jedną całość bez konieczności tworzenia plików o rozmiarze wielu gigabajtów. nTop przypomina oprogramowanie CAD, ale jest bardziej wyrafinowany w sposobie przedstawiania geometrii części, co przekłada się na znacznie mniejsze rozmiary plików.
Na przykład w większości programów CAD, w tym Fusion i Creo, geometria części jest reprezentowana za pomocą „reprezentacji brzegowych” (B-reps). Nie będziemy tutaj zagłębiać się we wszystkie zawiłości architektury B-reps, ale pomyślmy o tym jako o tym, jak ludzie postrzegają geometrię: powierzchnie, krawędzie, pomiary i ich wzajemne relacje. Zajmują one ogromną ilość zasobów obliczeniowych i miejsca w pliku, ponieważ części stają się bardzo złożone.
Rozmiar pliku CAD zaczął stanowić problem, ponieważ zapotrzebowanie na złożoną geometrię, optymalizację topologii i projektowanie generatywne rosło, zwłaszcza wraz z rozwojem produkcji addytywnej na początku XXI wieku. W tym czasie nowy sposób przedstawiania geometrii w oprogramowaniu CAD, zwany modelowaniem niejawnym, zaczął zyskiwać na popularności, ponieważ moc obliczeniowa wzrosła i to umożliwiła.
Siła ukrytego modelowania
Modelowanie niejawne, z którego korzysta oprogramowanie nTop, to inny sposób przedstawiania geometrii części. Nie oblicza ono jawnie żadnych krawędzi ani wierzchołków, ale zamiast tego pojedyncza funkcja matematyczna x, y i z jest używana do opisu bryły 3D. Innymi słowy, geometria jest reprezentowana przez matematykę, która definiuje, czy punkt leży wewnątrz, na zewnątrz czy na powierzchni kształtu. Dyrektor generalny nTop, Bradley Rothenberger, mówi, że jest to bardziej podobne do sposobu, w jaki komputery myślą o geometrii.
Modelowanie niejawne doskonale sprawdza się w łączeniu i scalaniu złożonych geometrii bez konieczności ręcznego definiowania przejść lub granic, co czyni je szczególnie przydatnymi w przypadku form organicznych i projektów wymagających złożonych powierzchni.
Wynikowe pliki mogą być dziesięciokrotnie mniejsze od zwykłych plików CAD, a jednocześnie tak samo dokładne.
W nTop Trevisan miał teraz plik głowicy cylindra, ale drukowanie 3D bezpośrednio z plików .implicit nTop nie jest możliwe; muszą zostać przetłumaczone z powrotem na bardziej znane, oparte na siatce modele B-rep, aby można je było wprowadzić do oprogramowania do przygotowywania plików druku 3D Materialise Magics. I tutaj projekt napotkał znaczną przeszkodę.Modelowanie ukryte dla produkcji addytywnej
Przyszłość CAD bez siatki
Powstały plik siatki był po prostu za duży i nieporęczny, aby nadawał się do wydruku.
„Wąskim gardłem w Wärtsilä było zazębianie się” — mówi Rothenberg. „Nie mogli efektywnie zazębiać tego komponentu, ponieważ w nTop zajęłoby to godziny, a gdy już się zazębiło, otwarcie go w Magics zajęłoby godziny do nocy, a potem tygodnie, żeby pociąć część wielkości głowicy cylindra”.
Trevisan mówi, że w dowolnym momencie przesyłania lub pracy z plikiem istniało duże prawdopodobieństwo awarii, co oznaczało rozpoczęcie od nowa i tygodnie opóźnienia. W przeszłości jego obejścia obejmowały podział siatki lub podział projektu na części. „Zawsze musiały być kompromisy” — mówi. „Mieliśmy ograniczenia co do szczegółowości siatki, więc jakość szczegółów często była tracona w ostatecznym wydruku”.
Potrzebował sposobu na bezpośredni import plików .implicit z nTop do Magics, co dokładnie zostało ogłoszone przez nTop w sierpniu.
„Jednym z najbardziej ekscytujących aspektów postępu integracji z Magics jest umożliwienie klientom bezpośredniego drukowania 3D z plików .implicit” — mówi Rothenberg. „Głowica cylindra wyeksportowana z nTop w ciągu kilku sekund została otwarta w Magics w ciągu kilku minut i pocięta w ciągu kilku godzin”.
Niejawne API modelowania nTop w pakiecie Materialise Magics 3D Print Suite (który będzie dostępny wraz z kolejną premierą Materialise Magics w 2025 r.) eliminuje konwersje niejawnych modeli na siatkę, które stanowią poważną przeszkodę w przypadku dużych części metalowych.
Magics nie jest jedyną integracją dla nTop do tej pory. Zapowiedziano wtyczkę dla drukarek 3D EOS, która jest zgodna z procesami kompilacji EOSPrint 2.14 maszyn, które mają zostać wydane w 2023 r. Osiąga ona zasadniczo to samo, co integracja Magics, ale jest dostępna wyłącznie dla maszyn marki EOS.
„Po Magics trwają prace nad innymi wtyczkami i integracją procesorów kompilacji” — mówi Daeho Hong, starszy menedżer ds. produktów w nTop, odpowiedzialny za budowę ekosystemu niejawnego z partnerami.
nTop nie jest jedynym wydawcą oprogramowania oferującym modelowanie niejawne — pewne możliwości są już dostępne w produktach Siemens NX i Altair Inspire — jest jednak na zdecydowanie najbardziej zaawansowanym etapie, co prowadzi do pytania: czy modelowanie niejawne jest przyszłością CAD?
źródło: all3dp
