IL FUTURO DELLA PRODUZIONE ADDITIVA È IN LINEA CON LE TECNOLOGIE DI CONTROLLO DEI PROCESSI?
Diamo per scontata la stampa 2D di successo a casa o in ufficio. Premi semplicemente [CTRL + P] e ciò che vedi sullo schermo del computer si materializza in breve tempo. Il raggiungimento dell’equivalente di produzione additiva di questo semplice comando da computer è un obiettivo elevato che rimane una sfida centrale per il più ampio settore della stampa 3D. La stampa di una parte con successo per la prima volta ha un valore significativo per gli utenti, in particolare per processi come la fusione laser a letto di polvere (LPBF), in cui il tempo della macchina e il costo del materiale sono superiori rispetto ad altri processi. Le parti di stampa 3D che soddisfano le tolleranze dimensionali previste senza difetti del materiale richiedono un controllo accurato e l’ottimizzazione di numerosi parametri.
Il controllo del feed-back è presente nella vita di tutti i giorni, dal mantenere la casa calda in inverno all’accensione del forno per cuocere qualcosa a una temperatura impostata. Ogni volta che una variabile di controllo come la temperatura raggiunge un certo valore, un controller invia un’istruzione per fare qualcosa per riportare la variabile di controllo nell’intervallo desiderato. Il controllo feed-forward fornisce un meccanismo più sofisticato per mantenere un valore in un sistema e beneficia della correzione dell’errore fondamentale fornita dal controllo feed-back. Il sistema di feed-forward utilizza un modello del sistema e la logica per trasformare gli input in istruzioni senza misurare la variabile di controllo. Nel caso in cui il controller di feed-forward fornisca istruzioni che generano un errore, il controller di feed-back corregge l’errore in base all’output della variabile di controllo dal sistema. Nel caso di mantenere la tua casa calda in inverno, un sistema di feed-forward prenderebbe in considerazione le dimensioni della tua casa, il grado di isolamento, l’ora del giorno, le tue preferenze e le previsioni del tempo per mantenere la temperatura in modo più efficiente. Per sistemi complessi con numerose variabili, il feed-forward combinato con il controllo del feed-back offre l’opportunità di un controllo più preciso rispetto al solo controllo del feed-back.
Nelle odierne stampanti 3D industriali, il controllo dei processi in situ sta diventando sempre più diffuso con l’aumentare della domanda di coerenza e qualità per la qualificazione delle parti. Numerosi produttori di stampanti 3D incorporano un certo livello di monitoraggio e controllo a circuito chiuso tra cui la maggior parte dei produttori di sistemi LPBF, Essentium, Digital Alloys , Sciaky , Vader Systems ( acquisiti da Xerox), Aconity3D e Inkbit per citarne alcuni. Ci sono anche sistemi di sensori termici disponibili per sistemi LPBF di Sigma Labs, Stratonics e Additive Assurance. Sebbene la maggior parte delle stampanti 3D industriali ora utilizzino varie fotocamere, sensori di posizione e sensori di temperatura per la raccolta dei dati e il controllo di feedback di base, poche aziende hanno dimostrato sofisticate capacità di controllo del processo di feed-forward nonostante le dozzine di variabili impostate staticamente che influenzano il processo di stampa. Le competenze del software di simulazione del processo necessarie per sviluppare modelli feed-forward basati sull’analisi multifisica degli elementi finiti e sui dati dei sensori non sono prevalenti con molti produttori di stampanti 3D. Velo3Dè una delle eccezioni, avendo sviluppato una capacità di simulazione feed-forward che informa il suo sistema di controllo a circuito chiuso e fornisce un controllo di processo in tempo reale per una stampa LPBF coerente. Inoltre, la simulazione e le capacità di feed-forward associate sviluppate in Velo3D sono fondamentali per la maggiore libertà geometrica dell’azienda e l’uso limitato di strutture di supporto nelle parti stampate LPBF.
Per ottenere ulteriori approfondimenti su ciò che rende possibili le funzionalità feed-forward, l’industria della stampa 3D ha parlato con AlphaSTAR Corporation, uno dei principali sviluppatori di software di simulazione nella produzione additiva che ha sviluppato un sistema di controllo feed-forward negli ultimi due anni come parte di vari dipartimenti di Sovvenzioni per la ricerca innovativa per le piccole imprese della difesa (SBIR). Un progetto intitolato ” Controlli feed-forward per la produzione di additivi metallici a base di fusione a base di polvere laser”È stato sponsorizzato dall’Office of Naval Research e realizzato in collaborazione con l’Università di Dayton Research Institute e il suo sistema LPBF personalizzato chiamato Advanced Technology Laser Additive System (ATLAS). AlphaSTAR ha contribuito con la sua esperienza e il software esistente di modellazione dei materiali e simulazione dei processi per sviluppare un sistema di controllo feed-forward strato-a-strato che regola i parametri di stampa e minimizza la variabilità del letto di polvere . Prendendo i dati dai sensori che monitorano ogni strato stampato, i modelli feed-forward hanno calcolato le regolazioni della velocità di scansione, della potenza del laser e della temperatura massima nel tempo per regolare la stampa del livello successivo. Il risultato è la stampa di parti di alto valore come la camera riscaldata nella foto sotto al primo o al secondo tentativo anziché dopo 10 tentativi.
Alla domanda sui requisiti computazionali e sul potenziale utilizzo dell’apprendimento automatico, il Dr. Frank Abdi, il principale investigatore del progetto, ha dichiarato che “Il modello [feed-forward] ha dimostrato il successo usando solo i dati della presente build; l’obiettivo era quello di produrre modelli precisi entro i tempi previsti: tra 6 e 15 secondi per la maggior parte dei sistemi ”. Sull’apprendimento automatico, ha osservato che il progetto “Non si è opposto al suo utilizzo, ma che non era necessario oltre alla simulazione per il sottoinsieme di parametri ottimizzati qui”. In altre parole, la simulazione unita alla progettazione dell’ottimizzazione degli esperimenti e all’analisi multiparametrica era una base appropriata per costruire e consentire il controllo del feed-forward. In definitiva,
Con i sensori e la gestione dei dati di processo sempre più comuni, il controllo del feedback su tutti i parametri rilevanti diventerà una caratteristica standard nella stampa 3D industriale, seguita infine dall’implementazione del controllo del processo di feed-forward basato sulla simulazione. Abilitare questo controllo di processo feed-forward sono le capacità di simulazione del processo di aziende come AlphaSTAR, MSC Software, ANSYS, Additiveworks, Siemens, Autodesk e Dassault Systemes e le soluzioni FEA pertinenti di SciArt LLC e Simscale. I prossimi anni vedranno i fornitori di software collaborare sempre più con i produttori di stampanti per la simulazione e il controllo dei processi per ottenere una maggiore coerenza e parti di produzione di qualità superiore. La funzionalità apparentemente semplice per l’arresto e la notifica automatici in caso di problemi con le stampanti 2D sta diventando un luogo comune nella stampa 3D. Il settore sta finalmente convergendo su questa capacità e gli utenti dovrebbero aspettarsi che le successive generazioni di stampanti 3D si adattino e risolvano i problemi di base una volta che si verificano e, in definitiva, prima che si presentino.