Software de impressão 3D:Alcançando a verdadeira produção digital

Os recursos do software de impressão 3D estão crescendo, à medida que a indústria continua a amadurecer.

Historicamente, o segmento de software de impressão 3D tende a ficar para trás em relação ao hardware e materiais. No entanto, desenvolvimentos empolgantes nos últimos anos mostram que esse segmento está se recuperando rapidamente, permitindo que as empresas criem designs complexos com mais rapidez, aumentem as taxas de sucesso de impressão, garantam a qualidade das peças e gerenciem os fluxos de trabalho com mais eficiência.

Como o software é a chave para a produção viável com impressão 3D, observamos os desenvolvimentos que tornaram isso possível.

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Software de design e CAD:Criação de ferramentas específicas de AM

Até recentemente, o software de design auxiliado por computador (CAD) não tinha sido otimizado para os requisitos de design de impressão 3D.

A manufatura aditiva (AM) oferece os benefícios de uma maior complexidade de projeto. No entanto, esses benefícios vêm com a necessidade de uma abordagem de design diferente, muitas vezes referida como Design for AM (DfAM).

Projetar para AM oferece desafios e oportunidades únicos não encontrados nos métodos de design tradicionais. Implica a criação de novas práticas de design, visando a redução de material e a exploração de características de design complexas.

Portanto, requer ferramentas relevantes para permitir que os engenheiros aproveitem ao máximo a flexibilidade de design do AM.

Lentamente, mas com segurança, essas ferramentas começaram a aparecer no mercado. O maior impulso veio de grandes empresas de software como Autodesk, Altair, Dassault Systems e PTC, que têm desenvolvido recursos de design de AM no escopo de suas soluções CAD.

Por exemplo, a Autodesk, como parte de um grande investimento em tecnologia AM, está ajudando na preparação do projeto para impressão 3D por meio de seu conjunto Netfabb.

O Netfabb permite que os engenheiros importem, analisem e reparem modelos de uma variedade de formatos CAD e identifiquem áreas que requerem suporte. O Netfabb também pode ser usado para gerar estruturas de suporte semiautomáticas e modificar modelos para que sejam otimizados para produção.

O DfAM também foi reconhecido como a próxima fronteira para a plataforma Creo CAD da PTC. Na nova versão, o Creo 6.0 oferece suporte integrado para a modelagem geométrica especializada necessária para criar recursos de peso leve, incluindo espuma estocástica, treliça conformada, treliças orientadas por fórmula e treliças personalizadas.

Além disso, a orientação da construção da impressão 3D e as estruturas de suporte podem ser analisadas e otimizadas no Creo 6.0, economizando tempo tanto na produção da construção quanto no manuseio pós-impressão, de acordo com a empresa.

Software de design avançado

Algumas empresas também estão desenvolvendo soluções CAD especificamente para engenharia avançada. Um exemplo é a nTopology, que lançou recentemente a plataforma nTop, desenvolvida para resolver problemas de engenharia onde a geometria é um gargalo.

Uma solução baseada em computação, nTop integra recursos de CAD, simulação e manufatura auxiliada por computador (CAM) para ajudar as equipes de engenharia a criar geometrias complexas e otimizadas.

Por exemplo, os engenheiros podem usar o nTop para reduzir o peso e maximizar o desempenho das peças. Eles também podem aplicar várias condições de carregamento e otimizar para uma variedade de critérios de desempenho, incluindo tensão, deslocamento, rigidez e peso - o processo conhecido como otimização de topologia.

O que também é interessante, é que o software é capaz de fatiar peças, evitando arquivos STL sujeitos a erros e exportando dados de manufatura diretamente para as máquinas.

Outra empresa inovando em software de design de impressão 3D é a Hexagon. No início deste ano, ela adquiriu a AMendate, um fornecedor alemão de software de otimização de topologia para AM. AMendate agora foi adicionado ao braço de software MSC da Hexagon, o que resultou no lançamento do software MSC Apex Generative Design.

A nova solução de otimização de projeto melhora a qualidade por meio da automação dos processos de projeto, combinada com o conhecimento de manufatura incorporado.

Diz-se que o software produz um projeto de peça, pronto para a manhã em poucas horas - uma fração do tempo normalmente necessário. Isso melhora a produtividade em até 80 por cento, em comparação com soluções alternativas de otimização de topologia.

‘Embora existam várias soluções de software para geração de design e estejam atualmente no mercado, há limitações em seus recursos. Eles consomem muito tempo de uso, por exemplo. Eles também carecem de automação total e os designs que podem ser criados não são complexos o suficiente para os desafios de negócios da vida real ", afirmou Thomas Reiher, cofundador da AMendate e agora Diretor de Design Gerativo da MSC.

Ferramentas de design avançadas, desenvolvidas com os processos AM em mente, serão a chave para superar esses desafios e permitir um número maior de usos inovadores de impressão 3D.

Apresentando alternativas STL

Para poder imprimir em 3D um modelo projetado, os engenheiros normalmente precisam converter o arquivo CAD original em STL.

STL é atualmente o formato de arquivo mais popular para impressão 3D, que descreve um objeto tridimensional como uma série de triângulos vinculados (polígonos). Apesar de sua popularidade, o formato de arquivo tem muitas limitações, que se tornam ainda mais aparentes ao usar a impressão 3D para projetar peças de produção complexas.

Por exemplo, o STL não lerá as cores, texturas e outras informações do projeto original.

Além disso, as alterações feitas no arquivo STL não serão refletidas automaticamente no arquivo de design original em CAD, adicionando uma camada de ineficiência ao processo de design.

Finalmente, ao modelar geometrias complexas ou aumentar o número de triângulos para melhorar a resolução, há o risco de aumentar drasticamente o tamanho de um arquivo STL a ponto de ficar muito grande para ser lido por impressoras 3D.

Para superar esses desafios, a indústria está trabalhando na criação de formatos de arquivo alternativos. O mais promissor, até agora, é o 3MF, desenvolvido pelo Consórcio 3MF.

A 3MF permite que as impressoras 3D leiam arquivos de design CAD com total fidelidade, com as cores, texturas e outros dados de design pretendidos pelo designer original. Ele também deve ser extensível e adaptável à tecnologia emergente de impressão 3D.

Software de simulação:previsão de erros para melhorar a repetibilidade

O software de simulação continua sendo um grande foco para o desenvolvimento de software de impressão 3D. A principal razão para isso é o potencial de reduzir, ou mesmo eliminar, a abordagem de tentativa e erro usada atualmente para obter resultados de impressão 3D repetíveis.

A simulação é normalmente usada na fase de design para reproduzir digitalmente como um material se comportaria durante o processo de impressão. Isso significa que os resultados da simulação podem fornecer uma visão sobre como um projeto pode ser otimizado para evitar falhas de construção.

Hoje, a maioria das soluções de simulação é voltada para a impressão 3D de metal. Isso se deve ao fato de que a tecnologia vem com uma série de desafios técnicos complexos. Existem muitas variáveis que podem afetar a construção durante o processo de impressão, por exemplo, o caminho e a intensidade do laser e o design das estruturas de suporte.

A simulação ajuda a analisar os fenômenos complexos que ocorrem durante o processo de impressão 3D de metal e usa dados de simulação para planejar a construção, selecionando a orientação da peça e as estratégias de suporte mais bem-sucedidas.

Em 2019, existem muitas soluções de simulação de AM, desde empresas maiores como ANSYS e Siemens, até empresas de software menores que oferecem soluções exclusivamente dedicadas a AM, como Additive Works.

A empresa de software de engenharia ANSYS é um exemplo. Desde o início de 2019, a empresa lançou três grandes atualizações, que apresentam muitas novas funcionalidades.

Uma atualização que se destaca é ANSYS Additive Prep. Esta ferramenta faz parte dos pacotes de software ANSYS Additive Suite e ANSYS Additive Print.

Entre seus recursos está a capacidade de produzir mapas de calor que ajudam os engenheiros a prever como as orientações de construção AM impactam as estruturas de suporte, tempos de construção, distorções e desempenho geral de impressão.

Na versão mais recente do R3, ANSYS Additive Prep também foi aprimorado com um novo processador de compilação, que permite aos usuários exportar um arquivo de compilação diretamente para uma máquina AM, evitando assim a necessidade de usar um arquivo STL. Também existe uma ferramenta para prever os efeitos do tratamento térmico, no horizonte para 2020.

Mais recentemente, a Altair lançou uma nova solução de simulação de fabricação para AM chamada Inspire Print3D.

Voltado especificamente para a fusão a laser seletiva (SLM), o software fornece um conjunto de ferramentas rápido e preciso para projetar e simular o processo de fabricação.

Os principais recursos do software incluem a geração de estrutura de suporte dentro do mesmo ambiente da peça projetada, simulação termo-mecânica avançada para reduzir o pós-processamento e evitar erros caros, identificação de grandes deformações, aquecimento e delaminação excessivos e a capacidade de validar e criar arquivos prontos para impressão 3D.

No domínio da impressão 3D de polímero, a e-Xstream, adquirida pela MSC Software Corporation em 2013, é uma das poucas empresas com foco em tecnologias de polímero e composto AM.

A empresa desenvolveu a solução de software Digimat-AM para simulação dos processos FDM e SLS. O programa ajuda a prever problemas de impressão, como empenamento e compensar distorção. Além disso, a versão mais recente do Digimat 2019.0 também oferece uma simulação de modelos de material reforçado com fibra para sistemas de materiais da DSM, Solvay Speciality Polymers e Stratasys Inc.

Como uma meta de longo prazo, a e-Xstream contará com sua experiência em modelagem de materiais para lidar com a impressão de vários materiais.

Ser capaz de imprimir peças em 3D corretamente na primeira vez é um dos principais fatores que contribuem para uma maior adoção da tecnologia. No futuro, provavelmente veremos o software de simulação sendo emparelhado com os recursos emergentes de monitoramento em processo. Isso permitirá que os engenheiros confirmem os resultados simulados esperados com dados de construção em tempo real, alcançando taxas de sucesso de impressão mais altas.

Sistemas de execução de fabricação de aditivos:permitindo gerenciamento de fluxo de trabalho e rastreabilidade

Nos últimos anos, a impressão 3D começou a mudar de um processo usado para prototipagem e fabricação de pequenos lotes para a produção de grandes lotes. Essa mudança revelou a necessidade de um software que possa ajudar as empresas a gerenciar os crescentes volumes de produção e dimensionar suas operações de AM com mais eficiência.

Isso levou ao surgimento do software Manufacturing Execution System (MES), desenvolvido especificamente para as necessidades da indústria de AM.

O software MES ajuda a conectar os pontos no fluxo de trabalho AM, seja ele gerenciamento de solicitação, programação de produção ou planejamento de pós-processamento. O objetivo geral do MES é fornecer o controle necessário para uma produção AM bem-sucedida, maximizando as taxas de utilização da máquina, introduzindo maior automação e aumentando a rastreabilidade.

Uma tendência importante que impulsiona o crescimento do segmento de software MES é a necessidade de uma plataforma ponta a ponta, flexível o suficiente para ser customizada para os requisitos individuais dos departamentos de AM. Poucas empresas oferecem atualmente essa solução.

Apresentando a conectividade da máquina

A rede de máquinas e dados de máquina também está se tornando um requisito importante, à medida que as empresas digitalizam cada vez mais suas operações. O software MES terá um papel mais importante ao permitir isso, pois permite que diferentes impressoras 3D se conectem em uma plataforma.

Por exemplo, o AMFG oferece conectividade de máquina com uma variedade de sistemas AM, como EOS e HP. Isso significa que os usuários do sistema AM serão capazes de gerenciar todas as suas operações AM com o MES do AMFG, ao mesmo tempo que se conectam diretamente com suas máquinas por meio da plataforma de software.

A conexão de máquinas em uma única plataforma permitirá o fluxo de dados contínuo, o que fornecerá rastreabilidade e escalabilidade necessárias para ajudar a impulsionar o AM para a industrialização.

O software MES também está gradualmente integrando as funções de outro software. Por exemplo, algumas soluções oferecem a capacidade de reparar arquivos STL e preparar modelos para impressão.

Outro exemplo é a integração das funções de gerenciamento de Garantia de Qualidade (QA). A plataforma MES da AMFG, por exemplo, permite aos usuários importar documentação, seja ela relatórios, planilhas ou imagens 3D, e compará-los com a parte física impressa em 3D, garantindo assim que os requisitos de controle de qualidade sejam atendidos.

Como o software de design, as plataformas MES podem ser combinadas com soluções de Inteligência Artificial (IA).

Os fluxos de trabalho de impressão 3D são muito pesados em termos de dados, o que significa que há muitas informações sobre status de pedidos, dados de máquinas e materiais que podem (e devem ser) não apenas monitorados e coletados, mas também analisados e implementados.

A integração de algoritmos de IA permite que o software analise os dados coletados e sugira onde melhorias nas operações de produção podem ser feitas. Em última análise, pode fornecer maior visibilidade sobre onde estão os principais gargalos e como otimizar o processo para alcançar maior produtividade.

Software de garantia de qualidade

Diversas empresas estão trabalhando para qualificar as peças impressas em 3D para poder utilizá-las na produção. Atualmente, as duas maneiras mais comuns de certificar uma peça que atende aos requisitos de controle de qualidade - testes destrutivos e tomografia computadorizada - são caras, demoradas, desperdiçadoras e nem sempre produzem resultados precisos.

A maneira mais eficiente de auxiliar o processo de controle de qualidade é por meio do monitoramento em andamento. Normalmente, o monitoramento em processo envolve a combinação de sensores e câmeras colocados dentro de uma impressora 3D, com software que pode analisar os dados coletados pelos sensores e fornecê-los de forma significativa.

Uma empresa que oferece essa combinação é a Sigma Labs. Seu pacote de software, denominado PrintRite3D®, possui os módulos INSPECT, CONTOUR e ANALYTICS. Por exemplo, o módulo INSPECT pode medir a poça de fusão (a poça de metal líquido fundido produzida enquanto o laser está aquecendo o pó) para detectar e prever anomalias.

O software PrintRite3D da Sigma Lab é uma das poucas soluções de terceiros. Na maioria dos casos, os fabricantes de impressoras 3D de metal desenvolvem software de controle de qualidade internamente. No entanto, o número de máquinas integradas ao software de controle de qualidade ainda é decepcionantemente baixo.

Por exemplo, existem impressoras EOS 3D, que apresentam a ferramenta EOSTATE MeltPool e a impressora VELO3D Sapphire 3D, que foi recentemente integrada com o novo software Assure.

A garantia de qualidade está se tornando a nova palavra de ordem no mundo AM, já que as empresas desejam acelerar a validação de peças e, por fim, reduzir a variação no processo de impressão. Isso significa que deve haver mais soluções de software de controle de qualidade aparecendo - e essa tendência já está começando a se formar lentamente.

Software AM em destaque:um segmento de amadurecimento rápido

Comparado ao hardware, o desenvolvimento de software para AM tem sido historicamente mais lento. Também tem havido um número muito menor de empresas de software AM, o que tem impactado o nível de inovação visto neste segmento.

No entanto, isso mudou drasticamente nos últimos anos, à medida que a indústria continua a amadurecer e soluções mais avançadas aparecem no mercado. De CAD a simulação e soluções de workflow, o software está sendo desenvolvido para levar o AM à produção de forma mais rápida e fácil.

Daqui para frente, é provável que o ritmo desse progresso se acelere, ajudando a AM a se tornar uma verdadeira solução de manufatura digital.

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