Презентация, доклад на тему Имитационное моделирование и технология послойного синтеза

25 марта 2015
Москва

Имитационное моделирование (от англ. simulation) - это распространенная разновидность аналогового моделирования, реализуемого с помощью набора математических инструментальных средств, специальных имитирующих компьютерных программ и технологий программирования, позволяющих посредством процессов-аналогов провести целенаправленное исследование структуры и функций реального сложного процесса в памяти компьютера в режиме «имитации», выполнить оптимизацию некоторых его параметров.
Имитационной моделью называется специальный программный комплекс, который позволяет имитировать деятельность какого-либо сложного объекта. Он запускает в компьютере параллельные взаимодействующие вычислительные процессы, которые являются по своим временным параметрам (с точностью до масштабов времени и пространства) аналогами исследуемых процессов.
Любое моделирование имеет в своей методологической основе элементы имитации реальности с помощью какой-либо символики (математики) или аналогов имитационное моделирование контролируемого процесса или управляемого объекта - это высокоуровневая информационная технология, которая обеспечивает два вида действий, выполняемых с помощью компьютера:
1) работы по созданию или модификации имитационной модели;
2) эксплуатацию имитационной модели и интерпретацию результатов.

моделирования является то, что имитационная модель позволяет воспроизводить моделируемые объекты:
с сохранением их логической структуры;
с сохранением поведенческих свойств (последовательности чередования во времени событий, происходящих в системе), т.е. динамики взаимодействий.
При имитационном моделировании структура моделируемой системы адекватно отображается в модели, а процессы ее функционирования проигрываются (имитируются) на построенной модели. Поэтому построение имитационной модели заключается в описании структуры и процессов функционирования моделируемого объекта или системы. В описании имитационной модели выделяют две составляющие:
- статическое описание системы, которое по-существу является описанием ее структуры. При разработке имитационной модели необходимо применять структурный анализ моделируемых процессов.
- динамическое описание системы, или описание динамики взаимодействий ее элементов. При его составлении фактически требуется построение функциональной модели моделируемых динамических процессов.

ресурсных показателей изделия.

Во-первых, имитационное моделирование предполагает два этапа:
конструирование модели на ЭВМ и проведение экспериментов с этой моделью. Каждый из этих этапов предусматривает использова­ние собственных методов. Так, на первом этапе весьма важно гра­мотно провести информационное обследование, разработку всех видов документации и их реализацию. Второй этап должен предпо­лагать использование методов планирования эксперимента с учетом особенностей машинной имитации.
Во-вторых, в полном соответствии с системными принципами четко выделены две возможные цели имитационных экспериментов:
• либо понять поведение исследуемой системы (о которой по ка­ким-либо причинам было «мало» информации) — потребность в этом часто возникает, например, при создании принципи­ально новых образцов продукции;
• либо оценить возможные стратегии управления системой, что также очень характерно для решения широкого круга эконо­мико-прикладных задач.
В-третьих, с помощью имитационного моделирования исследуют сложные системы. Понятие «сложность» является субъективным и по сути выражает отношение исследователя к объекту моделирования. Укажем пять признаков «сложности» системы, по которым можно судить о ее принадлежности к такому классу систем:
• наличие большого количества взаимосвязанных и взаимодей­ствующих элементов;
• сложность функции (функций), выполняемой системой;
• возможность разбиения системы на подсистемы (декомпозиции);
• наличие управления (часто имеющего иерархическую структуру), разветвленной информационной сети и интенсивных потоков информации;
• наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных (неопределенных) факторов.

РАЗРАБОТКЕ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Технологии послойного синтеза (ТПС) [1], в зарубежной литературе эти процессы называются технологические процессы (ТП) быстрого прототипирования и производства (Rapid Prototyping and Manufacturing, RPM). Основным отличием технологий ТПС от традиционных методов формообразования является то, что 3D модель изделия создается не деструкцией материала режущим клином (как на станках с ЧПУ), а послойным наращиванием изделия при точном воспроизведении формы (независимо от сложности её поверхности). Технологии ТПС или RPM, сегодня становятся мощным средством сокращения времени изготовления и повышения качества создаваемых изделий. Методы ТПС принципиально отличаются от традиционных ТП (когда модели создаются "сверху вниз") тем, что в случае ТПС модели создаются путем послойного аддитивного наращивания (т. е. "снизу вверх").

Целью моделирования является разработка общего алгоритма выбора параметров ТПС и его реализация в виде комплекса моделей технологического модуля, который позволяет специалистам-технологам выбрать оптимальный ТПС-метод в конкретной производственной ситуации с учетом технических требований к изделию и условий производства.
Технологический модуль ТПС в общем случае выполняет конечное число операций, характерных для каждого из рассматриваемых методов:
Метод Stereo Lithography Apparatus (SLA) - стереолитографии;
Метод Selective Laser Sintering (SLS) -лазерного спекания;
Метод Solid Ground Curing (SGC) - послойного уплотнения;
Метод Fused Deposition Modeling (FDM) - экструзии термопластов;
Метод Three Dimensional Printing (3DP), трёхмерной печати;
Метод Laser Engineered Net Shaping (LENS)-формирование лазером;
Метод Laminated Object Manufacturing (LOM) - послойного формирования моделей из листового материала;
Метод Ink Jet Modeling (IJM) - струйного моделирования.
Специальное программное обеспечение (ПО) технологического модуля (независимо от ТПС-метода) производит обработку геометрической CAD-модели изделия, представленной в виде STL-файла. Затем специальным алгоритмом декомпозиции 3D модель разбивается на слои, последовательное формирование которых в ходе технологического процесса должно приводить к построению изделия теоретически любой заданной формы.

1.Этап подготовки производственного ТПС-цикла включает в себя несколько технологических операций: подготовка рабочей платформы; заполнение резервуаров исходным материалом; подготовка рабочей зоны (специальная операция для любого модуля). Подготовительная фаза занимает фиксированное время, когда устанавливаются режимы работы модуля, которые зависят от типа выбранного оборудования.
2.Построение изделия слой за слоем, также общий процесс для всех рассматриваемых ТПС-модулей. Здесь задаются параметры слоя, производится подготовка рабочей области, а именно нанесение слоя материала, опускание платформы, прогрев рабочей зоны и т.п. Формирование слоя выполняется по программе, для каждого ТПС-модуля, а сам процесс повторяется до тех пор, пока изделие полностью не будет изготовлено.
3.После завершения процесса 3D-синтеза выполняется заключительная фаза работы ТПС-модуля, во время которой охлаждается рабочая зона, удаляются газы, осуществляется обдувка или промывка изделия, удаляются поддерживающие структуры и другие необходимые завершающие операции.

знаний об ТПС-методах на (рис. 1), отражает особенности рассмотренных технологий послойного синтеза.

ТПС-процессов можно построить принципиальную схему универсального ТПС-модуль, представленную на (рис. 2). Функции A(ai), B(bj) ,C(ck) ,D(dl) ,E(em) ,F(fn) ,H(hq) ,G(gp)  указанные на (рис. 2) изменяются для каждого из рассмотренных ТПС (см. рис. 1).

ТПС-модуля позволяет построить функциональную модель для анализа и построения на её основе имитационной модели. Языком моделирования технологических процессов выбран графический язык IDEF0.

уровень модели общего алгоритма ТПС. Управляющим воздействием C1 на всю систему является CAD-система, предназначенная для обработки конструкторских моделей изделий и C2 технологические требования ТПС-установки, различные для каждого типа ТПС. На входе I1 - конструкторская 3D-модель, I2 - основной материал, используемый для получения детали и I3 - вспомогательный материал используемый при производственном процессе. Процесс построения изделия выполняется ТПС-модулем (M3 ), с участием оператора ( M1) который так же использует (M2) АРМ оператора. Результатом процесса является деталь, построенная на основе C1 предоставленного CAD-файла. Представленная модель состоит из последовательного выполнения четырех операций, описываемых каждая своим СА-блоком:
А1. Определение геометрических и технологических параметров процесса построения детали.
А2. Подготовки ТПС-модуля к работе и формирование управляющей программы (УП).
А3. Послойный синтез детали.
А4. Финишная обработка.

С целью разработки единой целостной концепции стандартизации в области использования численного моделирования предлагаем исходить из следующих предпосылок:
1. Разработанная группа стандартов должна охватывать все отрасли и формировать надотраслевой «зонтик».
2. Разработанная группа стандартов должна обеспечивать возможность качественного скачка технологического и инновационного развития государства, и в первую очередь, приоритетных направлений развития, таких как:
2.1. Компьютерный инжиниринг, промышленный дизайн и инновационный инжиниринг автоматизированных систем процессного управления деятельностью и производством.
2.2. Наилучшие доступные технологии, в том числе, технологии аддитивного производства.
2.3. «Зелёные» и ресурсосберегающие технологии.
2.4. Интегральный менеджмент больших социотехнических систем.
3. Решать стратегические отраслевые задачи, такие как:
3.1. Разработка комплексной стратегии развития Наилучших Доступных Технологий;
3.2. Формирование требований для управления жизненным циклом изделий;
3.3. Создание экосистемы в области инжиниринга.
4. Формировать основу для международной и межгосударственной стандартизации.
5. Идеологической основой для разработки стандартов должен быть методологический подход на основе «Системного анализа и инженерии».
6. Обеспечение комплексного анализа в рамках жизненного цикла объектов исследования, таких например как:
6.1. Сложные инженерные комплексы и объекты жизненно, критически важной инфраструктуры энергетики и оборонного комплекса;
6.2. Электроника, прецизионное машиностроение, биоинженерия и лазерные технологии;
6.3. Строительство инфраструктурных объектов;
7. Обеспечение анализа и моделирования киберфизических систем и биокибернетических систем.

Нужно ли стандартизировать моделирование?

http://habrahabr.ru/post/244267/

чем перейти к обозначению направлений стандартизации необходимо кратко рассмотреть международный опыт стандартизации моделирования и компьютерного инжиниринга.
В качестве примера комплексного решения данной задачи можно привести проект Complex Adaptive Systems-of-Systems Engineering, который проходил в Америке в период с 2008 по 2012 год и в результате была разработана платформа, которая объединила в рамках междисциплинарного жизненного цикла анализ, имитационное моделирование, накопление знаний. Это представляется в виде следующих диаграмм (слева на право): CASoS Engineering теория и эксперимент, развивающиеся через приложение к реальным проблемам и Схема структурной интеграции теоретической платформы CASoS Engineering, технической среды и стимулирующей действительности сверхреальных приложений.

Анализ примеров стандартизации
Отправной точной для начала разработки стандартов в области математического моделирования, предлагается рассмотреть опыт стандартизации в строительной, нефтегазовой и картографической отраслях, в связи с тем, что именно эти отрасли вынуждены были интегрировать в рамках своей деятельности различные подходы и технологии, использовать междисциплинарные решения, которые обеспечили отраслевое движение вперед. В качестве примеров исследуем федеративную модель из стандарта IFC ISO 16739, Семантическую модель RDL из стандарта ISO 15926 и систему Еврокодов. Так же имеет смысл рассмотреть стандарты «ГОСТ Р ИСО/МЭК 10746 – Информационная технология. Открытая распределенная обработка» и «ГОСТ Р ИСО/МЭК 10000-3 – Информационная технология. Основа и таксономия международных функциональных стандартов».

изделий в горном машиностроении

работы всех предприятий горного машиностроения, участвующих в проектировании, производстве, реализации и эксплуатации сложной техники, используется соответствующая информационная поддержка всех этапов ЖЦ промышленных изделий. Такая поддержка получила название CALS (Computer Aided Logistics Support — компьютерная поддержка логистических процессов). В отечественной терминологии аналогом понятия CALS является аббревиатура ИПИ (информационная поддержка ЖЦ изделий).
Основной смысл концепции CALS/ИПИ заключается в повышении конкурентоспособности продукции за счет эффективного управления информационными ресурсами. Это достигается благодаря преобразованию ЖЦ изделия в высокоавтоматизированный процесс, интегрированный путем информационного взаимодействия всех его участников.

— автоматизированная технологическая подготовка производства;
PDM (Product Data Management) — управление проектными данными;
ERP (Enterprise Resource Planning) — планирование и управление предприятием;
MRP II (Manufacturing Requirement Planning) — планирование производства;
MES (Manufacturing Execution System) — производственная исполнительная система;
SCM (Supply Chain Management) — управление цепочками поставок;
CRM (Customer Relationship Management) — управление взаимоотношениями с заказчиками;
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) — диспетчерское управление производственными процессами;
CNC (Computer Numerical Control) — компьютерное числовое управление;
S&SM (Sales and Service Management) — управление продажами и обслуживанием;
CPC (Collaborative Product Commerce) — совместный электронный бизнес.

Применение CALS/ИПИ как формы организации и информационной поддержки бизнес-деятельности, повышает эффективность производственных процессов за счет следующих факторов:
ускорения разработки продукции и подготовки производства;
сокращения производственных и эксплуатационных издержек;
придания изделию новых свойств и повышения уровня сервиса на этапах его эксплуатации и технического обслуживания;
исключения дублирования информации и резкого сокращения количества ошибок в данных об изделии и производственных процессах;
сокращения времени выхода изделия на рынок (сокращения временных издержек);
сокращения стоимости ЖЦ (сокращения материальных издержек);
повышения качества изделия.

путем моделирования материальных, информационных и финансовых потоков, характеризующих процессы производства продукции и эксплуатации.
Единое информационное пространство должно обладать следующими свойствами:
содержать информацию в электронном виде;
охватывать всю созданную информацию об изделии;
являться единственным источником данных об изделии (прямой обмен данными между участниками ЖЦ исключен);
строиться только на основе международных, государственных и отраслевых информационных стандартов;
создаваться с использованием только имеющихся у участников ЖЦ программно-аппаратных средств;
должно иметь возможность постоянного развития и расширения.

сегодняшнем мире жесткой промышленной конкуренции основным направлением совершенствования любого производства является модернизация известных и создание новых технологических процессов.
Ведущую роль при этом играют цифровые и аддитивные технологии, которые позволяют создавать детали высокого качества с наименьшими затратами. А также детали, которые невозможно изготовить традиционными, "вычитающими" технологиями — механообработкой, литьем и т.д.
Именно применение аддитивных технологий позволяет в полной мере реализовать основные принципы создания материалов нового поколения, заложенные в Стратегических направлениях развития материалов и технологий на период до 2030 года, которые базируются на результатах фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований, полученных ведущими научно-исследовательскими организациями совместно с институтами РАН. А также на постулате о неразрывности материалов, технологий и конструкций, включая использование "зеленых" технологий при создании материалов и комплексных систем защиты. Они подразумевают реализацию полного жизненного цикла (с использованием IT технологий) — от создания материала до его эксплуатации в конструкции, диагностики, ремонте, продлении ресурса и утилизации.

изготовление сложнопрофильных и уникальных деталей без использования механических обрабатывающих станков и дорогостоящей оснастки;
— повышение рентабельности производства малой серии и эксклюзивных вариантов;
— устранение влияния "человеческого" фактора при изготовлении деталей: построение детали проводится в полностью автоматическом режиме;
— снижение веса деталей ГТД за счет уменьшения толщины стенок, элементов, создания сотовых и иных структур (т.н. бионического дизайна);
— возможность создания комплексных, интегрированных деталей за один технологический цикл;
— отсутствие в деталях литейных дефектов и напряжений;
— управление физико-механическими свойствами создаваемого изделия.
В настоящее время за рубежом аддитивные технологии переходят из разряда опытных и единичных работ в разряд учебных и промышленных участков. Так, в апреле 2013 года производитель реактивных двигателей компания Pratt&Whitney совместно с Университетом Коннектикута (США) создали современный центр аддитивного производства на базе Технологического парка Университета.

Селективное лазерное сплавление позволяет получать детали непосредственно из порошка, минуя все промежуточные и подготовительные операции (разработка и изготовление литейной или штамповой оснастки, механическая обработка и т.д.). По предварительно построенной CAD модели происходит послойное "выращивание" детали при выборочном сплавлении частиц порошка в соответствии с геометрией поперечных сечений детали. Толщина слоя при этом не превышает 60-80 мкм. Одновременно можно выращивать сразу несколько деталей, количество и размер которых ограничивается только габаритами рабочей камеры установки.
Лазерная порошковая наплавка связана с наплавлением порошка, подаваемого роботизированным дозировщиком в виде газо-порошковой смеси через специальную дюзу малого сечения. Такая технология может быть востребована не только для ремонта и упрочнения поверхности детали, но и для создания принципиально новых градиентных материалов или деталей с внутренними силовыми элементами и внешними износо- или жаростойкими покрытиями, которые могут быть получены за один технологический цикл производства.

одно из наиболее динамично развивающихся за рубежом направлений «цифрового» производства. Данные технологии объединяет одно обстоятельство: построение детали происходит путем добавления материала (от англ. аdd – "добавлять") в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления "лишнего" материала.
Селективное лазерное спекание – SLS-технология (Selective Laser Sintering), SelectiveLaserMelting) – одно из важнейших направление аддитивных технологий. Лазерное объемное формообразование металлических материалов является интенсивно развивающимся методом изготовления новых изделий особо сложной формы и является во многих случаях единственной альтернативой традиционным методам изготовления деталей литьем или на станках с ЧПУ.

Аддитивные технологии

последующем спекании тонкого слоя порошка лазерным излучением.
Лазерные технологии создания 3-х мерных конструкционных материалов и изделий сложной формы относятся к области порошковой металлургии.
Эти технологии, используя процессы объемного формообразования (спекания) металлических порошков под действием лазерного излучения, позволяют за один технологический цикл создать изделия практически любой формы и степени сложности. Процесс является преимущественно безотходным.

а соответственно и уменьшается его стоимость.

Техноло- гия

Подготовка производства

Модельная оснастка

Технологич. оснастка

Спец. инструмент

Литейное производство

Заготовит. производство

Сборка

Механическая обработка

Изделие

Изделие

Прямое цифровое производство (Direct Digital Manufacturing)

любой формы и степени сложности;
- применение металлических порошков из многокомпонентных отечественных сплавов на основе никеля и титана , что обеспечит повышение эксплуатационных характеристик деталей;
- снижение время изготовления заготовок и деталей образцов ВВСТ в 1,2-1,5 раза;
- снижение расхода металла в 1,5-2 раза, повышение коэффициента использования металла (КИМ) до 0,3-0,5.

продукции вырастет на 6,5 млн. евро к 2015 г.

Развитие прогрессивных технологий на
1кг порошковой продукции к 2015г.

и титана, обеспечивающие повышенный ресурс и надежность изделий при высоких температурах эксплуатации.
Объем рынка – 4-5 млрд. руб./год

селективного спекания деталей из полиамида, полистирола, высокотемпературного РЕЕК, а также металлических порошковых материалов и оборудования для этой технологии. Для неметаллических и металлических материалов разработаны разные технологии и оборудования с учетом особенностей материала. В настоящее время фирма поставляет оборудование серийно по всему миру, в ней работает около 500 человек и объем прибыли составляет приблизительно один млрд. евро.

Фирма EOS GmbH

области получения материалов, заготовок, так и разработки и усовершенствования технологий и оборудования.

10% от прибыли идет на внутренние научно-исследовательские работы. Они идут по пути повышения мощности лазера и применения для металлических порошков твердотельных лазеров, что позволит им расширить не только габариты установки (сейчас рабочая зона 250х250х325 мм), но и использовать более крупные порошки (сейчас 20-40 мкм) до 140 мкм, это в свою очередь даст возможность применять данные технологии для много компонетных сплавов.

модель

спекание с помощью установки Arcam AB, которая позволяет проводить процесс в вакууме с подогревом. После получения заготовок по данным технологиям для металлических материалов удаляются необходимые вспомогательные поддержки, проводится дробеструйная и пескоструйная обработка, а затем полировка по технологии Best in Glass, которая обеспечивает получение идеально гладкой поверхности.

Установки Arcam AB

СЛС активно развиваются в последние годы в технологически развитых странах. Несмотря на значительный опыт, теоретический и экспериментальный, в России на сегодня практически не имеется промышленных технологий и оборудования в области СЛС.
В России практически отсутствует оборудование ведущих производителей и используются в основном устаревшие установки на основе CO2-лазеров с низкой мощностью. Иностранные производители предлагают только базовые технологии со строго фиксированными температурно-скоростными параметрами и четко определенными видами используемых исходных материалов – также производимыми только у них.
Таким образом, применение современного лазерного оборудования требует разработки новых технологий для получения сложнопрофильных заготовок и деталей изделий РКТ из многокомпонентных отечественных сплавов на основе никеля и титана.

Ltd.

1 Medians are indicated

1

11 th International SAOT Workshop, Erlangen , January 10-11, 2011

less spherical and irregular particles

surface roughness

spherical particles

A powder with spherical particles has a higher random packing density, which is favorable for SLM.

11 th International SAOT Workshop, Erlangen , January 10-11, 2011

произв-во
электродов

Распыление
гранул

рассев и магн.
сепарация

эл.-статич.
сепарация

дегаз-я,засыпка
капсулы

ГИП

Технологическая схема

и оборудования для двигателей космической и авиационной техники. В настоящее время в этой фирме 2 установки EOS и 5 установок Arcam, в сентябре 2013 года они открывают новую площадку, где будет 12 установок EOS и 14 установок Arcam. Важно отметить, что фирма делает полный цикл от порошка до готовой детали.
Главой фирмы было отмечено, что порошки - гранулы, получаемые центробежным распылением электрода, отличаются высоким качеством и стабильностью.
На рисунке представлены гранулы
титанового сплава ВТ6 (Ti642),
получения методом центробежного распыления
в ОАО «Композит», которые имеют
высокое качество поверхности и
низкую внутреннюю пористость.

Фирма Avioprop S.r.L

основе Ni, Co, Fe, Ti, Al. Составы сплавов ограничены и отличаются от применяемых в изделиях РКТ. Например, сплав Inconel 718 имеет более низкие эксплуатационные характеристики по сравнению с российским сплавом ЭП741НП, и также по другим материалам.

properties

The mechanical properties of the exemplar alloy satisfy the requirement.

положение в области аддитивных технологий, постоянно занимаются исследованиями в первую очередь по получению материала – беспористого и с требуемым уровнем свойств, а затем лишь конфигурации детали.
Причём каждый новый материал требует индивидуального подхода в разработке технологий его изготовления. Фирма Avioprop S.r.L, даже имея большой серийный заказ, планирует оставить по две машины EOS и Arcam для продолжения исследований по применению новых металлических материалов.

беспористого материала на основе многокомпонентных отечественных сплавов для сложнопрофильных заготовок и деталей изделий РКТ, а так же разработки их конструкций с учетом указанных технологий.

оптимальных режимов заключался в подборе мощности лазерного излучения, скорости сканирования подложки, подачи металлопорошкового материала, а также в подборе расстояния между проходами лазерного излучения.

Кольцевой образец, выращенный на подложке по технологии LENS