Để thực hiện hiệu quả in 3D trong môi trường sản xuất, đòi hỏi các công cụ phần mềm. Thiết kế, mô phỏng, xử lý trước khi in, sắp đặt, sản xuất và kiểm tra chất lượng. Các nhà sản xuất máy in 3d cung cấp phần mềm đi kèm với máy in của họ. Nhưng nó thường không bao gồm tất cả các chức năng cần thiết cho sản xuất bồi đắp quy mô công nghiệp. Bài viết này bao gồm các loại phần mềm in 3D khác nhau, cách chúng khớp với nhau trong quy trình làm việc AM và các công ty hàng đầu cung cấp các giải pháp thương mại có sẵn.
Quy trình in 3d hỗ trợ bởi phần mềm
Quy trình phần mềm in 3D bắt đầu bằng thiết kế 3d và kết thúc bằng sự phê duyệt chất lượng. Ở giữa có nhiều bước bao gồm xử lý dữ liệu input, mô phỏng, in 3d, kiểm tra và phân tích dữ liệu. Sơ đồ trực tiếp dưới đây làm nổi bật các danh mục chính của các công cụ phần mềm được sử dụng dọc theo quy trình làm việc in 3D. Chúng tôi sẽ kiểm tra chúng từng cái một.
Phần mềm thiết kế CAD
Phần mềm thiết kế hỗ trợ bởi máy vi tính (CAD) được các kỹ sư và nhà thiết kế sử dụng để xác định kỹ thuật số một phần hình học 3 chiều. Trong hầu hết các trường hợp, phần mềm CAD được sử dụng để thiết kế các chi tiết để in 3D giống như được sử dụng cho sản xuất thông thường. Các công ty sản xuất phần mềm CAD bao gồm Dassault Systemes, Siemens, PTC và Autodesk.
Đối với một số ứng dụng nhất định, phần mềm thiết kế AM cụ thể được sử dụng để tạo các bề mặt và cấu trúc được tối ưu hóa cho in 3D. Ví dụ về hình học như vậy bao gồm các mạng phức tạp, các tính năng rỗng và kết cấu kỹ thuật số. Một số công ty sản xuất các công cụ CAD tập trung vào AM là Materialise, nTopology và Zverse.
Có một nhóm các phần mềm hỗ trợ thiết kế đặc biệt “Generative Design”. Nghĩa là tối ưu hóa cấu trúc liên kết trực tuyến, hoặc tối ưu hóa cấu trúc hình học. Để đạt được tải trọng mong muốn, tối thiểu chi phí vật liệu & sản xuất, điều kiện biên và các ràng buộc thiết kế. Phần mềm này dựa trên các mô phỏng máy tính để tinh chỉnh hình dạng sản phẩm chi tiết. Kết hợp các quy tắc thiết kế CAD với mô phỏng từ các công cụ CAE. Các nhà cung cấp phần mềm Generative Design hàng đầu bao gồm Altair, Autodesk và Materialise.
Phần mềm mô phỏng CAE
Giải pháp phần mềm CAE được hiểu cơ bản là việc sử dụng phần mềm trên máy tính để mô phỏng hiệu suất nhằm cải thiện thiết kế sản phẩm hoặc hỗ trợ giải quyết các vấn đề kỹ thuật.
Trong trường hợp in 3D, CAE không chỉ được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế, như chúng tôi đã đề cập ở trên, mà còn để tối ưu hóa chính quy trình sản xuất bồi đắp. Do tính chất vật lý phức tạp liên quan đến in 3D, có nhiều vấn đề tiềm ẩn về chất lượng mà phần mềm CAE có thể giúp giảm thiểu.
Ngoài việc sử dụng để cải thiện chất lượng in tổng thể, các công cụ CAE đóng vai trò quan trọng trong việc giúp tối ưu hóa các tham số như tốc độ in 3d, nguồn năng lượng và nguyên liệu đầu vào. Đó là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tính kinh tế của in 3D. CAD và CAE cùng nhau cung cấp dữ liệu nền tảng cần thiết để thực hiện bước tiếp theo là phát triển các hướng dẫn sản xuất cho máy in.
Phần mềm lập trình in 3d CAM
Computer Aided Manufacturing (CAM) là việc sử dụng phần mềm để điều khiển các thiết bị sản xuất như máy công cụ. Phần mềm CAM lấy dữ liệu CAD và CAE làm đầu vào và tạo hướng dẫn máy (G-code) để lập trình thiết bị sản xuất để thực hiện một quy trình chính xác. Khi thiết lập một dự án trong phần mềm CAM, có 05 bước chính như sau:
Xác định hướng đặt mẫu
Cách tốt nhất để định hướng đặt mẫu cho quá trình in 3d là căn cứ vào các yếu tố: độ chính xác và yêu cầu hoàn thiện bề mặt, công nghệ in 3d, cấu trúc đỡ và tối ưu thể tích in (xem bên dưới). Phần mềm CAM sẽ đề xuất các lựa chọn tối ưu nhưng cần dữ liệu của người dùng nhập vào.
Vật liệu hỗ trợ (đỡ / treo chi tiết trên / dưới bàn in)
Có nhiều chiến lược đỡ (treo) khác nhau để cố định sản phẩm trong quá trình in 3d. Cấu trúc hỗ trợ tối ưu phụ thuộc vào công nghệ in, hình dạng sản phẩm in, vật liệu in và các biến khác. Bước này phần lớn được tự động hóa trong hầu hết các phần mềm CAM của in 3d.
Bù lượng dư bề mặt (Near-net-shape)
Chức năng Near-net-shape là bổ sung một lượng dư vật liệu vào các bề mặt có yêu cầu độ chính xác và hoàn thiện cao. Nó thường được xác định và thực hiện tự động bởi phần mềm lập trình in 3d. Các vật liệu dư này sẽ được loại bỏ trong quá trình post-processing của in 3d.
Tối ưu sắp xếp theo thể tích
Một số công nghệ in 3D phù hợp với việc in nhiều chi tiết / sản phẩm cùng một lúc. Các sản phẩm được xếp đặt tối ưu diện tích trên bàn in. Và thậm chí chúng được xếp chồng lên nhau một cách tối ưu thể tích (theo phương z). Phần mềm CAM của in 3d có nhiệm vụ tối đa hóa số lượng chi tiết trong một lần in 3d. Đồng thời không làm giảm chất lượng do ảnh hưởng bởi bố cục xếp đặt.
Tạo lát và chế độ in 3d
Khi tất cả các bước trên hoàn tất và bất kỳ tham số in 3d tùy chỉnh được lựa chọn phù hợp. Phần mềm CAM sẽ tạo G-code và gửi đến máy in 3d để thực hiện quy trình in.
Hầu như tất cả các máy in 3d đều đang được thương mại với phần mềm CAM từ OEM. Nó bao gồm các chức năng cơ bản cần thiết để vận hành thiết bị. Người dùng AM công nghiệp tiên tiến hơn thường tận dụng các công cụ xử lý của bên thứ 3 để kiểm soát và hiệu quả hơn. Phần mềm CAM độc lập này có thể chứng minh lợi ích trong việc xử lý các bản dựng có độ phân giải cao, phức tạp, độ chính xác. Phần mềm CAM cho máy in 3d cần phải API với một nhóm thiết bị in 3D khác nhau. Một số giải pháp phần mềm CAM cho in 3d điển hình như Magics (Materialize) và Netfab (Autodesk) rất phổ biến cho các mục đích này.
Quản lý quy trình sản xuất (MES / ERP / PLM)
Phần mềm quy trình sản xuất đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong các chuỗi cung ứng thông thường. Các danh mục của phần mềm này bao gồm các hệ thống thực thi sản xuất (MES), lập kế hoạch nguồn lực doanh nghiệp (ERP) và quản lý vòng đời sản phẩm (PLM). Các nhà khai thác AM công nghiệp tiên tiến nhất cũng sử dụng phần mềm này để quản lý các Lab máy in 3d lớn, đặt ở nhiều địa điểm. Trường hợp này, AM workflow phải được tích hợp chặt chẽ với toàn bộ chuỗi cung ứng mở rộng.
Một số nhà cung cấp phần mềm CAD lớn, được đề cập ở trên, cũng như các công ty phần mềm chuỗi cung ứng như SAP đã đầu tư vào lĩnh vực AM và tích hợp AM với các MES, ERP và PLM hiện có. Các công ty khởi nghiệp như Linked3D, 3yourmind và Oqton đã phát triển phần mềm tập trung đặc biệt vào quy trình làm việc của chuỗi cung ứng AM.
Phần mềm máy in OEM
Như đã đề cập ở trên, máy in 3d công nghiệp được đóng gói với phần mềm dành riêng cho máy. Nó giải quyết một số chức năng cơ bản. Và hiếm khi đáp ứng được tất cả các nhu cầu quan trọng trong một quy trình sản xuất bồi đắp. Hầu như tất cả các phần mềm đi kèm với thiết bị được thiết kế cho một nhóm máy in 3d cụ thể. Nó sẽ không hỗ trợ trên nhiều loại thiết bị in 3d khác nhau.
Vì lý do này, mặc dù một số phần mềm in 3d khá ấn tượng, nhưng không được đề cập trong bài viết này. Chúng tôi tập trung vào các giải pháp phần mềm độc lập, hữu ích và không dành riêng cho một phạm vi hẹp của quy trình in 3d, thiết bị, ứng dụng hoặc vật liệu.
Tương lai của phần mềm in 3D
Như sơ đồ trên minh họa, “bức tranh” kinh doanh phần mềm in 3D trên thị trường là rất lớn, phức tạp và phân mảnh. Nhiều công ty và sản phẩm cạnh tranh, chồng chéo về chức năng. Điều này đã chứng minh cho một phân khúc tiềm năng trong phát triển phần mềm quản lý sản xuất bồi đắp. Ngoài ra, nhiều hãng đề cập trên – đặc biệt đang phát triển phần mềm tích hợp các quy trình xử lý, workflow, QA & bảo mật.
Tất cả các yếu tố này tạo ra tiềm năng hợp nhất cao trong tương lai của ngành công nghiệp phần mềm. Điều này rất có thể sẽ đến thông qua việc mua lại bởi các công ty CAD và ERP / MES / PLM lớn, đương nhiệm. Chúng tôi tin rằng điều này sẽ là tích cực cho người tiêu dùng và toàn ngành sản xuất bồi đắp.
Kết luận
Bất chất tương lai của bối cảnh thị trường in 3D, phần mềm sẽ vẫn là một yếu tố quan trọng trong việc đưa ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp tiến lên. Nhiều thách thức kỹ thuật đối với in 3D – tối ưu hóa thiết kế, tính nhất quán của quy trình, chất lượng, tốc độ in 3d, sẽ được giải quyết và cải thiện bằng phần mềm.
Và cuối cùng, một trong những lợi thế chính của sản xuất bồi đắp tối thiểu cần có là một quy trình kỹ thuật số cơ bản. Tiếp tục đầu tư phát triển phần mềm in 3D sẽ giúp gia tăng khả năng cạnh tranh trong thị trường sản xuất bồi đắp và hình thành các chuỗi cung ứng trong tương lai.
Nguồn hình ảnh: DigitalAlloys
