Aplicaţii software pentru fabricaţie aditivă Pot printa această piesă? (I)

Cu acest articol începem o altă (mini) serie, având ca subiect fabricaţia aditivă (FA),  mai precis aplicaţiile software din acest domeniu. Vor fi analizate mai multe produse software gratuite care conţin instrumente destinate susţinerii activităţii proiectanţilor şi care permit adaptarea procesului de proiectare astfel încât să se ţină seama de limitările specifice FA.

Dezvoltări în FA

Evoluţia în FA nu se limitează la apariţia de noi tehnologii, la îmbunătăţirea rezoluţiei maşinilor sau la extinderea spaţiului lor de lucru, la dezvoltarea de noi materiale, la eliminarea dezavantajelor formatului STL sau la standardi­zarea metodelor de evaluare a performanţelor maşinilor şi a caracteristicilor obiectelor fabricate, ci vizează şi dezvoltarea de soluţii software specifice fiecărei etape de lucru. Aceste aplicaţii software pot fi încadrate în patru categorii.

Pe de o parte, sunt cele care permit obţinerea modelului tridimensional al obiectului/piesei sau al ansamblului de fabricat (modelere 3D CAD: Creo, Catia, Inventor, Rhino3D, Siemens NX, Solid Edge, Solidworks, Sketchup etc.; aplicaţii de inginerie inversă/relevare, cum ar fi Geomagic sau software-uri pentru modelare medicală, care reconstruiesc modelul tridimensional din date de scanare de tip CT/RMN: Mimics, 3D-Doctor etc.).

Apoi, sunt aplicaţiile suport utilizate pentru evaluarea corectitudinii fişierului STL, pentru verificarea încadrării în spaţiul de lucru al maşinii, pentru editarea modelului STL, pentru analiza grosimii pereţilor şi a capacităţii unei anumite maşini de a-l construi etc.

Cea de-a treia categorie cuprinde soluţiile software dezvoltate de producători, caracteristice fiecărui procedeu/maşină (de exemplu, Catalyst de la Stratasys pentru maşinile Dimension sau QuickSlice pentru maşina FDM1650, ReplicatorG pentru maşinile RepRap, Z-Print de la Z-Corp/3D Systems etc.), care realizează secţionarea mode­lului STL, permit orientarea piesei/pieselor în spaţiul de lucru al maşinii, generează structurile suport (dacă este cazul), generează traseele pentru formarea straturilor şi le transmit către maşină. În cea de-a patra categorie pot fi grupate aplicaţi-
ile software diverse pentru FA, majoritatea în fază de cercetare-dezvoltare, cum ar fi cele care permit selecţia procedeelor în funcţie de aplicaţia în care este utilizat obiectul, optimizarea procesului de secţionare adaptivă a modelului virtual sau optimizarea procesului de generare a structurilor suport.

Soluţii software

În continuare, vom vorbi despre soluţiile software din cea de-a doua categorie, care conţin instrumente pentru analiza pre-printare a modelelor virtuale 3D. Patru astfel de aplicaţii: 3D-Tool, MiniMagics, MeshMixer şi Meshlab vor fi discutate în acest articol, urmând ca platformei Spark, dezvoltată de firma Autodesk, să-i fie consacrat un articol separat.

Este, deja, un lucru cunoscut de toată lumea că FA permite obţinerea de obiecte complexe din punct de vedere geometric, uneori dificil sau prea costisitor de fabricat prin metode de prelucrare tradiţionale. Cu toate acestea, aşa cum am mai discutat şi în alte articole, este important pentru un proiectant să se asigure, înainte de a trimite fişierul piesei către maşina de FA, că aceasta va putea fi, într-adevăr, fabricată la caracteristicile dorite (verificarea „printabilităţii”). Cu alte cuvinte, întrebarea: Pot printa această piesă? subînţelege, de fapt, şi continuarea astfel încât să fie respectate toate cerinţele de proiectare. Adică, toleranţele de formă şi dimensionale, calitatea suprafeţelor, timpul şi costul de fabricaţie, rezistenţa mecanică etc., să fie cele specificate de proiectant corespunzător rolului funcţional al piesei respective. Iar dacă anumite specificaţii nu pot fi îndeplinite, Care sunt modificările de design care trebuie făcute fără a compromite funcţionalitatea sau calitatea piesei? Aceste întrebări conduc, de fapt, la conceptul de Proiectare pentru Fabricaţia Aditivă (Design for Additive Manufacturing), aflat, din ce în ce mai mult, în atenţia proiectanţilor, care sunt interesaţi în a optimiza design-ul piesei pentru fabricaţia sa aditivă, printr-un anumit procedeu şi pe o anumită maşină.

Analiza comparativă a unor aplicaţii

Aplicaţiile discutate în continuare (tabel 1) îşi dovedesc utilitatea atunci când există acces doar la modelul STL al piesei, ştiut fiind faptul că software-urile 3D CAD actuale au funcţionalităţi avansate de analiză a geometriei, care pot fi folosite şi pentru investigaţii tipice FA (grosimea pereţilor, pereţi înclinaţi, încadrarea în spaţiul de lucru al maşinii etc.). Cu alte cuvinte, dacă modelul virtual este descărcat direct în format STL de pe un site dedicat (cum ar fi GrabCAD sau Thingiverse, pentru a le menţiona doar pe cele mai des accesate de utilizatori), de exemplu, fără a avea acces la fişierul său nativ, atunci software-urile prezentate în acest articol asigură funcţionalităţile necesare de analiză pentru FA.

MiniMagics (http://software.materialise.com/minimagics) este o aplicaţie gratuită a firmei belgiene Materialise, care oferă instrumente pentru vizualizarea şi comprimarea fişierelor STL, evaluarea calităţii acestora, identificarea suprafeţelor cu normale inversate – şi care nu pot fi printate, adnotarea modelului, măsurări de la punct la punct. Importă şi exportă doar fişiere în format STL şi cele de tip .magics şi .mgx create de alte aplicaţii Materialise. MiniMagics este un software uşor de utilizat, care permite o verificare rapidă a erorilor, util, în special, începătorilor şi atunci când este vorba despre obiecte de complexitate mică şi medie. Software-ul este caracterizat de producători drept un instrument de vizualizare şi de comunicare în FA şi, pe lângă o versiune gratuită, există şi versiunea comercială MiniMagics Pro, evident, cu mai multe funcţionalităţi, cum ar fi analiza grosimii pereţilor.

Aplicaţia 3D-Tool (http://www.3d-tool.com/), inclusiv varianta gratuită a acesteia, oferă opţiuni pentru verificarea validităţii fişierelor STL şi analiza grosimii pereţilor modelului 3D. De asemenea, permite realizarea de măsurări în 3D (distanţă, unghi, rază, diametru, lungimea muchiei, joc între piese, grosimea peretelui) şi măsurări în 2D (distanţă, unghi, lungime, rază şi diametru). Variantele Basic şi Premium oferă şi instrumente ce permit amplasarea pieselor pe platforma sistemului. Interfaţa este mai complexă decât a MiniMagics, dar şi funcţionalităţile sunt mai numeroase. Dezavantajul variantei gratuite este că importă şi exportă doar fişiere în format STL. Analiza rapidă a grosimii pereţilor (Quick calc) pentru o piesă test relativ simplă a durat 8 minute. Figurile 1 şi 2 prezintă capturi din 3D-Tool realizate în timpul unei testări.

Figura 1. Determinarea dimensiunilor de gabarit 

Figura 2. Analiza grosimii pereţilor în 3D-Tool

Versiunea lansată în septembrie 2014 a aplicaţiei gratuite Meshmixer (www.meshmixer.com/) de la Autodesk integrează, alături de instrumentele pentru analiza şi editarea fişierelor de tip STL, noi opţiuni pentru printarea 3D (analiza modelului în funcţie de maşina de FA aleasă – figura 3, vizualizarea materialului, analiza grosimii pereţilor, verificarea stabilităţii, modificarea modelului, generarea structurilor suport etc.). Este interesant de amintit faptul că Meshmixer importă şi exportă informaţie şi în noul format AMF (Additive Manufacturing Format), despre care am discutat într-un alt articol.

Figura 3. Alegerea maşinii de FA şi opţiuni de adăugare a structurilor suport, vizualizare materialpentru verificarea încadrării în spaţiul de lucru în 3D-Tool 

Figurile 4 şi 5 ilustrează modul de analiză a grosimii pereţilor, respectiv a încadrării unei piese test în spaţiul de lucru al maşinii Replicator 2 de la Makerbot, aflată în baza de date a aplicaţiei Meshmixer, alături de alte maşini ale Stratasys, cum ar fi Dimension, Fortus,  Mojo sau Object.

Concluzionând, dintre cele patru software-uri analizate, recomandăm MeshMixer ca incluzând cele mai utile şi variate instrumente de analiză la pre-fabricaţia aditivă.

Remarcăm, totodată, interesul pe care Autodesk îl acordă FA, manifestat şi prin lansarea platformei deschise software & hardware pentru printarea 3D, Spark (http://spark.autodesk.com/), pe care o vom prezenta în articolul viitor.

Figura 4. Analiza grosimii pereţilor 

Figura 5. Încadrarea în spaţiul de lucru al maşinii MakerBot Replicator2

English summary

Additive manufacturing (AM) is continuously developing in several directions: extending the materials range, improving machines resolution and enlarging their workspace, standardizing AM terminology and methods for evaluating machines’ performances and manufactured objects’ characteristics, as well as creating software applications for supporting all AM process stages.

The paper is focused on presenting open-source software solutions dedicated to the pre-manufacturing phase when it is important to assess the capability of a certain AM process or machine to manufacture an object so that to satisfy the user/application requirements. Four such applications are benchmarked by analyzing the input and output formats, capability to analyze wall thickness, optimize building orientation and to verify and edit STL files.

  Diana Popescu este dr.ing., UPB, Facultatea IMST, Departamentul MSP.

• Articol selectat în secțiunea specială Industry 4.0