Memaksimalkan Produksi dengan Perangkat Lunak Manufaktur Aditif Canggih
Bagaimana perangkat lunak pemrograman dan simulasi CAD/CAM baru dapat membantu mengatasi proses manufaktur aditif.
Dalam dunia manufaktur, proses manufaktur aditif (AM) masih anak baru di blok. Meski aditif telah ada selama beberapa dekade, hingga relatif baru-baru ini ia sebagian besar terpuruk pada aplikasi prototipe dan produksi pendek. Namun, dengan proses logam aditif yang lebih baru, potensi AM telah berekspansi secara dramatis. Ia telah merentang dari yang dilihat sebagai teknologi yang menarik menjadi proses produksi yang lebih realistis yang kini lebih banyak digunakan oleh produsen besar seperti GE dan Lockheed untuk membuat bagian logam AM untuk mesin pesawat dan komponen serta rangkaian misi-kritis lainnya. Seiring dengan semakin populer proses AM, perangkat lunak pemrograman CAD/CAM baru dan paket simulasi terkait mengatasi beberapa masalah dengan proses lapis demi lapis aditif, menambahkan alat alur kerja aditif dengan desain generatif dan teknik visualisasi 3D serta optimasi topologi yang lebih luas bagi produsen. Banyak dari paket perangkat lunak baru ini juga bertujuan untuk membantu produsen dengan kelas baru alat mesin hybrid aditif/substractif.
Membuat Mustahkil menjadi Mungkin
Salah satu tujuan utama solusi aditif baru adalah menghasilkan desain yang jauh lebih baik. Pemrograman CAD/CAM dalam aditif dapat memudahkan insienyur pengembangan produk untuk merancang bagian yang sebelumnya dianggap tidak dapat diproduksi. "Autodesk telah membangun alur kerja akhir ke akhir yang lengkap untuk manufaktur aditif, dari optimasi desain hingga persiapan pembuatan, simulasi dan pasca produksi, membantu desainer dan insienyur beralih dari prototipe ke produksi serial," kata Duann Scott, business development dan strategi, Manufaktur Aditif dan Komposit, Autodesk Inc. (San Rafael, CA). "Kami kini menambahkan Generative Design untuk memungkinkan desainer menjelajahi dan mewujudkan potensi penuh [AM] dengan cara yang sebelumnya tidak mungkin."
Kemampuan baru AM dalam produksi serial adalah perkembangan kunci, katanya Scott. "Saat industri berevolusi dengan bahan dan proses baru, kasus penggunaan akan meluas dari bagian kecil, kompleks dan/atau kustom, ke bagian yang lebih besar seiring masuknya mesin dan bahan dengan biaya lebih rendah ke pasar," katanya. "Kami telah melihat biaya hardware menurun secara dramatis seiring kedaluwarsa paten kunci, pertama di ruang polimer dengan mesin FDM [fused-deposition modeling] yang menurun dari $40.000 menjadi $400, lalu mesin SLA [stereolithography apparatus] yang menurun dari harga serupa menjadi $3000, dan kini mesin SLS [selective laser sintering] yang menurun dari $150.000 menjadi $10.000. Kami kini melihat gelombang baru proses logam aditif. Di mana dulu akan membiayai $1 juta untuk menyiapkan satu mesin, mesin baru kini dapat dibeli dengan sekitar $100.000. Pengurangan besar dalam investasi yang diperlukan untuk memproduksi bagian akan secara dramatis meluas apa yang saat ini adalah pasar yang relatif kecil."
Menambahkan kemampuan desain generatif ke perangkat lunak untuk proses AM akan memberi desainer keuntungan besar, argue Scott. "Desain generatif memungkinkan desainer dan insienyur menjelajahi solusi berdasarkan keterbatasan desain dan proses manufaktur yang akan mustahkil untuk dikonsepsikan atau dieksekusi dengan perangkat lunak CAD tradisional," katanya. "Lebih dari sekadar optimasi topologi, yang mengambil geometri yang ada dan mengurangi massa berdasarkan solver FEA [finite element analysis] menjadi satu desain yang dioptimalkan, desain generatif menciptakan solusi geometris berdasarkan banyak tujuan dan banyak proses manufaktur untuk memberikan banyak solusi. Solusi-solusi ini kemudian dapat diiterasi untuk menyempurnakan geometri lebih lanjut, yang kemudian dapat diproduksi seperti apa adanya, atau digunakan sebagai panduan, untuk memberi tahu pendekatan desainer terhadap desain, berdasarkan solusi yang mereka berikan."
Awalan tahun depan, Autodesk akan merilis versi terbaru dari perangkat lunak aditif/print 3D Netfabb 2018, yang saat ini dalam pengujian beta, yang akan menambahkan fitur baru termasuk kemampuan desain generatif. "Hubungan antara proses substractif tradisional dan manufaktur aditif adalah keduanya memerlukan pemahaman mendalam tentang kombinasi mesin dan bahan spesifik untuk menciptakan kontrol mesin optimal untuk memenuhi persyaratan insienyur desain," kata Scott. "Serta sangat penting bagi sebagian besar bagian logam AM untuk di-machine substractif setelah pencetakan untuk memastikan kualitas permukaan dan toleransi pada bagian yang berinterface dengan bagian lain dalam rangkaian." Autodesk menawarkan alur kerja lengkap, katanya, untuk menggunakan file CAD yang sama untuk aditif dan proses pasca substractif yang penting.
"Menggabungkan proses terpisah seperti aditif dan substractif dalam alur kerja manufaktur biasanya melibatkan banyak langkah, sering kali pada mesin yang berbeda. Ini perlu akurat dan terotomatisasi. Ada benang digital yang dimulai dari desain dan niat teknik dan mensimulasikan apa yang harus terjadi pada setiap langkah dalam proses—Anda perlu membangun pada data asli," katanya Scott. "Anda juga harus memantau kemajuan di dunia nyata, menggunakan inspeksi dan loop adaptif atau umpan balik untuk mendeteksi dan mengkompensasi variasi. Proses-proses ini juga perlu digabungkan."
Musim gugur lalu, Siemens PLM Software (Plano, TX) mengumumkan solusi "Additive Manufacturing with NX" mereka, dan awal tahun ini perusahaan menambahkan Siemens Part Manufacturing Platform, layanan kolaborasi online yang bertujuan untuk mencocokkan pembeli dan penjual komponen aditif. Pada bulan April, pengembang perangkat lunak, yang dimiliki oleh Siemens AG (Munich), juga mengumumkan mitra teknologi luas dengan penyedia perangkat lunak aditif/print 3D lama Materialise NV (Leuven, Belgia) di mana perangkat lunak AM Materialise Magics 3D Print Suite akan sepenuhnya diintegrasikan dengan perangkat lunak NX Siemens. Kombinasi ini membawa keahlian Materialise dengan kekuatan inti CAD/CAM/CAE NX Siemens PLM, termasuk kemampuan desain luas dengan alat optimasi berbasis simulasi, kata Aaron Frankel, senior director, marketing, manufacturing engineering software, Siemens PLM.
Strategi aditif Siemens mencakup tiga pilar, dimulai dengan Additive Manufacturing with NX, yang mencakup offer NX dan Teamcenter PLM perusahaan, kata Andreas Saar, vice president Siemens PLM, Manufacturing Engineering Group. "Itulah yang kami sebut rantai digital dan inti bergerak ke masa depan," kata Saar. Siemens akan merilis pembaruan perangkat lunak setiap tiga hingga enam bulan, dengan antarmuka printer baru yang bekerja dengan banyak pemain aditif, termasuk EOS, Stratasys, DMG Mori, HP dan lainnya, katanya.
"Niat kami adalah membawa aditif ke phase industri," kata Saar, mengintegrasikan Materialise ke basis terpasang industri NX yang luas dari Siemens. Contohnya adalah GE, yang menggunakan aditif untuk memproduksi nozel besar untuk mesin pesawat. "Ada kelompok kecil, mungkin 20–30 orang, antara insienyur desain dan simulasi, yang membuat ini terjadi, dan mungkin ada 4000 insienyur desain di sana. Tujuan kami adalah untuk sangat memperluas itu. Kami memiliki 10.000 kursi desain di GM. Para orang ini harus memikirkan ulang manufaktur aditif."
"Apa yang kami lihat di pasar adalah perusahaan menengah dan besar menciptakan kelompok kerja manufaktur aditif untuk memahami teknologi," kata Frankel. "Ada kurva pembelajaran yang besar. Perusahaan mengambil berbagai teknologi terpencil untuk melihat apa yang akan bekerja, tetapi lingkungan ad-hoc ini tidak akan skalabel. Perusahaan perlu solusi akhir ke akhir, dan mereka perlu dapat mengelola data dan proses tersebut dengan satu solusi."
Ketimbangan Mesin Hybrid Aditif
Banyak solusi CAD/CAM yang lebih baru untuk aditif berfokus pada pemrograman atau simulasi alat mesin hybrid aditif/substractif terbaru, termasuk entri dari DMG Mori dan Mazak. Karena komponen AM tidak terlalu near-net shape dan memerlukan finishing sedang hingga luas, hybrid adalah pendekatan praktis bagi banyak pengguna alat mesin. Mesin hybrid, meski mahal, kini menjadi lebih terjangkau.
Strategi Siemens bertujuan untuk mendukung semua mesin AM, terutama unit hybrid dari beberapa mitra perusahaan, seperti DMG Mori dan Mazak. "Kami mendukung solusi yang ada, seperti direct energy deposition, laser beam welding dan power bed fusion," kata Frankel dari Siemens PLM. Dari teknologi-teknologi itu, kata Saar, yang paling umum adalah powder bed fusion, dan Siemens mendukung Multi-Jet Fusion terbaru dari HP, yang menggunakan printer 2D dengan nozel. Mesin tersebut memiliki teknologi voxel 3D yang mencetak dalam satu warna tetapi akan dapat mencetak dalam banyak warna. "Masa depan sangat scalable," kata Saar.
Mesin hybrid menarik bagi banyak pengembang CAD/CAM, dan Vero Software (Reading, UK) merencanakan merilis modul machining hybrid aditif di masa depan, mungkin sekitar April tahun depan, untuk Edgecam dan perangkat lunak CAM lainnya, kata Raf Lobato, strategic products director. Direct energy deposition, perbaikan, pertumbuhan fitur, dan cladding adalah semua area fokus untuk jenis perangkat lunak ini, katanya. "Untuk mendapatkan hasil maksimal dari aditif, ia tidak bisa truly live on its own; area 'penambahan' sesekali perlu disiapkan oleh substractif dan kemudian, setelah penambahan bahan, biasanya perlu diselesaikan dengan substractif," kata Lobato.
Perlu lebih banyak penelitian untuk menyempurnakan banyak proses aditif, katanya. "Mereka sebenarnya belum tahu cara menambahkan bahan secara efektif," kata Lobato dalam menjelaskan direct energy deposition. "Saat Anda menambahkan beberapa bahan ke komponen, hasilnya tidak sempurna." Bahan yang disetorkan tidak close to near-net shape, memerlukan proses finishing substractif untuk menyelesaikan bagian. "Berita bagus adalah tes menunjukkan bahwa bahan aditif yang disetorkan dalam proses ini lebih keras dari bahan dasar, dalam beberapa kasus," dengan logam hampir 100% padat yang ditambahkan ke komponen logam ini dalam operasi cladding, kata Lobato.
Dalam satu contoh, perbaikan daun turbin pesawat mengharuskan memotong potongan bahan berupa V dari bagian alih-alih hanya menambahkan logam di tempat retakan pada daun. "Di sana lagi Anda dapat melihat di mana operasi substractif diperlukan," kata Lobato, setuju bahwa kadang-kadang proses substractif dan aditif keduanya diperlukan untuk menyelesaikan pekerjaan. "Itulah keyakinan kami. Juga, itu akan memakan waktu yang sangat lama—menambahkan bahan tidak cepat."
Peningkatan dalam teknologi, baik perangkat lunak maupun hardware, ditambah kecepatan, fleksibilitas, dan tentu saja, biaya, sangat penting untuk pertumbuhan aditif, kata Lobato. "Kami terlibat dalam Kraken Project, https://krakenproject.eu/, yang tentang manufaktur aditif pada bagian besar oleh robot dengan solusi akurasi yang lebih tinggi dari yang tradisional tersedia."
Entri baru lainnya datang dari pengembang CAD/CAM DP Technology Corp. (Camarillo, CA), yang pada Agustus mengumumkan suites Esprit Additive Software untuk manufaktur aditif logam. Perangkat lunak dikatakan membantu menyederhanakan proses pemrograman aditif yang memakan waktu menjadi hanya beberapa langkah sederhana.
"Perangkat lunak CAD/CAM hari ini harus memberikan pemrograman yang kuat untuk alat mesin multitugas, multifungsi, multichannel, mill-turn, aditif dan substractif, dengan proses aditif dan substractif diprogram, dioptimalkan, dan disimulasikan bersama dalam satu antarmuka yang ramah pengguna," kata Chuck Mathews, executive vice president, DP Technology. Modul Esprit Additive baru diharapkan tersedia pada pertengahan 2018. DP Technology memiliki mitra kuat dengan DMG Mori dan Mazak dan modul akan menawarkan pemrograman aditif bagi pengguna mesin hybrid dari perusahaan-perusahaan tersebut.
Dalam Creo 4.0, PTC (Needham, MA) merilis platform Additive Manufacturing yang mencakup fungsionalitas untuk merancang dan mengoptimalkan struktur ringan lebih baik, mendefinisikan sub-tipe rangkaian baru yang dapat menyimpan bagian yang akan dicetak, posisi, bahan, warna, dan lebih banyak, kata Jose Coronado, product manager aplikasi Creo Manufacturing and Simulation. Solusi aditif juga mencakup fitur konektivitas untuk memberikan umpan balik langsung kepada desainer tentang kemampuan printer 3D, yang akan dipertimbangkan dalam fase desain.
"Persentase tinggi pengguna Creo telah mengatakan bahwa mereka saat ini mengimplementasikan, atau mempertimbangkan untuk mengimplementasikan, proyek pilot dalam manufaktur aditif," kata Coronado. "Juga, banyak printer plastik yang sudah ada di lokasi pelanggan beralih dari pekerjaan prototipe ke pembuatan cetakan dan fixture, atau langsung untuk memproduksi bagian akhir. Salah satu penggerak perpindahan ini adalah fungsionalitas baru yang tersedia di Creo, memungkinkan insienyur merancang lattice yang dioptimalkan dan terhubung langsung dengan printer plastik Stratasys dan 3D Systems."
"Peta jalan PTC untuk Creo mencakup lebih banyak tipe lattice, optimasi topologi yang diintegrasikan ke dalam model B-Rep [Boundary representation], dukungan proses pencetakan logam dan lebih banyak, semuanya tanpa keluar dari Creo," lanjutnya. "Tapi pengguna kami tidak perlu menunggu; fungsionalitas aditif dan substractif saat ini PTC coexist, terintegrasi secara mulus dengan model CAD. Menggunakan model 3D yang sama, kami dapat menyiapkan rangkaian tray untuk mencetak satu atau banyak bagian. Kemudian, jika pemrosesan pasca seperti bor, face milling atau deburring diperlukan, model 3D yang sama digunakan untuk membuat toolpath NC yang sesuai."
Pionir awal dalam aditif, 3D Systems (Rock Hill, SC) juga menawarkan keahlian manufaktur aditif dan substractif mereka bersama dengan perangkat lunak 3DXpert Metal Additive Manufacturing yang diperkenalkan tahun lalu, menurut Daniel Remenak, product manager, GibbsCAM 3D Systems. "3DXpert adalah solusi perangkat lunak all-in-one untuk manufaktur aditif logam dengan kemampuan canggih dalam persiapan cetak, dukungan dan optimasi struktur, slicing, dan bahkan operasi pasca cetak."
Meski CNC Software, pengembang Mastercam, belum merilis modul spesifik aditif, perusahaan sedang "mengevaluasi pendekatan perangkat lunak aditif mana yang paling berguna untuk pelanggan kami baik sekarang maupun saat teknologi terus berekspansi," kata Ben Mund, senior market analyst, CNC Software Inc. (Tolland, CT).
"Masalah awal permukaan halus telah mengalami peningkatan dramatis, seperti halnya bahan yang tersedia, dengan lebih banyak pengembangan yang masuk ke bahan suhu tinggi dan struktural, bahan fleksibel, dan komposit. Saat masalah-masalah ini diperbaiki, proses akan digunakan di lebih dan lebih tempat," kata Mund. "Pencetakan logam yang lebih terjangkau juga akan memajukan industri. Kami melihat ini terjadi sekarang dengan jenis baru logam infused substrate yang lebih terjangkau."
"Ada juga banyak tempat di mana aditif dan substractif akan digunakan bersama," katanya. "Ini bisa berkisar dari produksi fixture aditif untuk machining substractif, hingga menciptakan bagian aditif yang perlu diselesaikan dengan machining. Dan, tentu saja, akan selalu ada bagian yang mustahkil untuk diproduksi melalui substractif, di mana aditif adalah satu-satunya pilihan."
Di Open Mind Technologies USA Inc. (Needham, MA), pengembang perangkat lunak CAD/CAM hyperMill, perusahaan memiliki kemampuan untuk mendukung proses AM menggunakan modul spesifik aditif yang merupakan opsi dalam hyperMill, kata Alan Levine, managing director. Open Mind terlibat dengan machining aditif selama hampir 10 tahun, tambah Levine. "Fokus kami adalah dukungan pemrograman untuk proses penyetoran logam berbasis laser. Upaya ini konsisten dengan fokus lima poros canggih kami, dan mencakup umpan balik dari basis pelanggan kami. Hari ini kami bekerja sama dengan mitra mesin dan pengguna akhir kunci dalam proyek-proyek dan untuk mengimplementasikan serta mengonfirmasi teknologi baru. Proses kami selaras dengan perkembangan berkelanjutan dalam hyperMill, paket kami untuk machining substractif, jadi pekerjaan ini terstruktur dan dapat dilakukan dengan elegan dalam pendekatan saat ini kami."
Meski mesin powder-bed aditif mungkin mencakup segmen pasar yang lebih besar saat ini, fokus Open Mind adalah pada laser deposition, seperti diterapkan untuk membangun bagian baru (sering dengan mesin lima poros) dan perawatan serta perbaikan dalam cetakan dan matriks serta energi, menurut Levine. "Proses laser deposition umumnya tidak memerlukan struktur dalam proses untuk mendukung overhang yang nantinya harus dihapus," kata Levine. "Juga, laser deposition cocok untuk machining hybrid."
Lebih dari setahun yang lalu, Open Mind menambahkan dukungan simulasi baru untuk aditif dari mitra dan pengembang modul komponen MachineWorks (Sheffield, UK). "Pengembangan perangkat lunak kami untuk proses aditif berdasarkan pengalaman dan kerja sama kami dengan pengguna kunci dan mitra mesin. Berbagai bagian yang dibuat saat ini mengarah pada penyempurnaan perangkat lunak dan alur kerja proses. Persyaratan dasar untuk pemrosesan aditif—mengenai filling dan bounding paths, mengontrol titik awal, dan trigger laser—telah diimplementasikan dalam perangkat lunak," kata Levine. "Prosedur pemeriksaan tabrakan juga memerlukan perhatian yang cermat karena model workpiece terus bertumbuh, dan juga deposition head memerlukan panjang fokus spesifik untuk penyetoran bubuk yang tepat."
Mensimulasikan Proses NC dan Aditif
Seperti dalam proses manufaktur apa pun, mensimulasikan gerakan pemotongan dan pembentukan logam dengan akurat sangat penting untuk memastikan kualitas manufaktur dan keamanan alat, fixture, dan alat mesin. Hingga baru-baru ini, solusi perangkat lunak simulasi telah langka untuk memvisualisasikan proses AM dengan memadai.
Dalam pameran Rapid/TCT di Pittsburgh, perangkat lunak simulasi, verifikasi, dan optimasi NC Vericut Versi 8.1 terbaru memperkenalkan kemampuan baru untuk mensimulasikan operasi manufaktur aditif dan hybrid serta untuk continuous dressing sambil grinding, kata Gene Granata, product manager untuk Vericut di CGTech (Irvine, CA). "Metode baru ini dapat digunakan dalam urutan apa pun, dengan setiap metode pemotong tradisional [seperti milling, turning dan machining lima poros] dan pada hampir semua merek mesin CNC. Perangkat lunak baru juga memiliki peningkatan untuk sectioning workpiece, alat ukur X-Caliper, optimasi toolpath Force, dan penyiapan laporan untuk secara otomatis mendokumentasikan proses manufaktur.
"Daya tarik manufaktur aditif membawa banyak tantangan unik bagi desainer dan programmer NC," lanjutnya. "Orang melatih diri sendiri untuk berpikir, merancang dan memprogram bagian dengan cara yang berbeda, untuk membuat produk yang lebih baik seefisien mungkin. Perangkat lunak simulasi, seperti Vericut, adalah alat yang tak ternilai bagi programmer NC untuk memvisualisasikan dan memverifikasi setiap proses dalam urutan yang digunakan, membandingkan strategi manufaktur, dan mencegah tabrakan atau kerusakan yang mahal pada mesin, alat, dan bagian yang dibuat." Mesin hybrid biasanya mahal, dan biasanya tersedia dalam jumlah terbatas di suatu perusahaan, tambahnya. Bagian cadangan atau teknisi untuk laser dan peralatan aditif lainnya juga dapat sulit ditemukan. "Perangkat lunak simulasi menawarkan jaga-jaga yang hemat biaya untuk mengurangi potensi masalah sebelum terjadi."
Menemukan cara baru untuk memprogram bagian yang diproduksi melalui proses aditif menantang baru bagi programmer NC. "Memiliki opsi untuk menggunakan metode aditif, substractif, atau hybrid sering mendorong programmer untuk berpikir di luar 'zona nyaman' mereka untuk melakukan hal yang sebelumnya tidak dianggap mungkin," kata Granata. "Kemampuan baru Desain untuk Manufaktur Aditif [DFAM] dan pemrograman NC aditif tampaknya tiba dalam setiap rilis CAD/CAM baru. Sementara peningkatan ini dimaksudkan untuk memberikan lebih banyak opsi kepada programmer NC aditif, ini juga meningkatkan kurva pembelajaran. Secara mental melacak di mana bahan telah disetorkan dan di mana belum adalah tantangan."
Mengintegrasikan aditif dalam proses produksi apa pun menciptakan beberapa masalah, kata Granata. "Kesalahan dalam perencanaan dan sequensi operasi NC dapat merusak komponen mesin, peralatan aditif, atau bagian. Simulasi menghilangkan tebak-takba dan meminimalkan risiko, menunjukkan bagaimana bagian akan dibuat dan representasi yang tepat dari bagian selama proses." Modul Aditif Vericut mensimulasikan kemampuan aditif dan machining tradisional yang digunakan dalam urutan apa pun pada mesin hybrid. "Mensimulasikan semua operasi dapat mengidentifikasi potensi masalah yang dapat terjadi saat mengintegrasikan metode aditif. Pengguna dapat mengakses 'histori' detail yang disimpan dengan teknologi titik realistis Vericut, menghemat waktu programmer dengan mengidentifikasi kapan fitur bagian telah di-machine dan sumber kesalahan, dalam sebagian besar kasus, hanya dengan satu klik mouse."
Kemampuan aditif ini memeriksa laser cladding dan penyetoran bahan yang akurat, mendeteksi tabrakan antara mesin dan bagian aditif, dan menemukan kesalahan, celah, dan bahan yang tersalah tempat, kata Granata. "Untuk akurasi tertinggi, Vericut mensimulasikan kode NC post-processed yang sama yang akan digunakan untuk menggerakkan mesin CNC dan memastikan penggunaan yang tepat fungsi AM dan parameter laser. Pengguna dapat secara virtual bereksperimen dengan menggabungkan proses aditif dan penghapusan logam dalam urutan apa pun untuk menentukan metode manufaktur hybrid aman yang optimal."
