高质量零件需要一流的 CAD/CAM

使用 CAD/CAM 软件制造的永恒问题是如何帮助制造商始终更快、更便宜、更好地制造零件。随着最新的 CAD/CAM 软件版本的发布，开发人员继续调整他们的产品，增加新的功能，包括生成式设计功能、更频繁使用的车间流程的自动化，以及用于新兴增材制造领域的更多工具。

此外，模拟变得更加重要，高度复杂的多轴机械需要精确计算机床元素以避免加工过程中的灾难性碰撞，因此非常需要 CAD/CAM 提供内置的可视化功能。

在这些最新趋势中，衍生式设计和增材制造正迅速推向前沿。位于德克萨斯州普莱诺的 Siemens Digital Industries Software 的 NX 产品工程高级营销总监 Paul Brown 表示：“我们继续看到增材制造、新材料处理能力以及提高机器容量和性能的更多应用。” “这反过来又增加了对 CAD 技术的需求，使工程师能够探索新的设计并接受新制造方法所提供的强大功能和灵活性。”

公司仍在寻求通过制造周期来简化他们的设计。 Brown 指出，人们对可制造性设计 (DFM) 等领域的兴趣持续存在，通过检查以增加对制造和建造设计产品能力的信心。

采用生成方法

衍生式设计帮助制造商加快和完善设计过程。这意味着以更有效的方式设计零件并开发更易于制造的零件。

“制造商面临比以往任何时候都更大的压力，以更快、更低成本交付更好的产品，连接和自动化设计和制造流程以减少迭代、错误和交付时间的需求变得至关重要，”业务战略经理 Sanjay Thakore 指出， Fusion 360 Go-to-Market Strategy，面向 Autodesk Inc.，这是一家位于加利福尼亚州圣拉斐尔的 CAD/CAM 软件开发商。

“行业融合和新制造技术的结合正在创造新的自动化机会，”Thakore 在 9 月号《制造工程》上发表的采访中说。 “使用 Autodesk Fusion 360 中的衍生式设计技术，可以以 [传统设计流程] 成本的一小部分来解决复杂的设计和工程挑战。”

衍生式设计是一种探索工具，可根据实际制造限制、产品性能要求和成本要求同时生成多个 CAD 就绪解决方案。 “工程师可以通过考虑多种材料和制造方法来探索设计空间，并选择最能平衡性能和成本要求的选项，”他说。

西门子的布朗指出，一些公司开始使用生成方法来解决设计问题。 “这让他们有更多机会探索替代形状和材料来解决问题。”挑战在于如何将其整合到传统流程中。 “借助 Convergent Modeling，我们拥有的技术允许人们将模拟和优化结果的衍生式设计用作核心建模几何——将其与传统建模和制造技术相结合，”Brown 说。

增材制造的使用进一步推动了这一点，它允许使用传统制造技术（例如晶格结构）无法创建的形状和方法。这些显着降低了部件重量，但保持了刚性和其他因素的机械性能。

“拥有集成的 CNC 编程能力对于生产成品零件至关重要，这可以实现增材制造的工业化，”布朗说。 “这些类型的集成技术的使用正逐渐从最初的原型扩展到大规模生产——这就是西门子的重点。”他说，该公司正在研究如何在工业规模上实现增材制造，从 1 到 1000 人。

HyperMILL CAD/CAM 软件开发商、美国马萨诸塞州尼德姆市 Open Mind Technologies Inc. 董事总经理 Alan Levine 指出，衍生式设计技术可产生高度有机的形状。 “这些形状可以用传统的铣削技术或添加剂技术制造，”他说。 “在使用增材技术时，铣削通常用作辅助工艺，以实现所需的表面光洁度。”

根据 Levine 的说法，加工零件的卓越表面光洁度需要 CAM 系统中的精确设置、高质量的刀柄和精确的机床。 “大多数 CAM 系统通常在模型表面拓扑之上使用近似网格。这种方法的优点是无论 CAD 系统或 CAD 转换器如何定义表面实体，都具有统一的计算过程，”Levine 说。 Open Mind 最近添加了一个高精度模型，可以直接加工到零件表面，提高了表面质量。

Additive 的快速增长

Levine 补充说，用于增材应用的新技术正在迅速发展，尤其是用于定向能量（粉末或线材）沉积的 CAM 系统中的技术。 “一些 CAM 供应商已经通过新的添加剂策略或应用于粉末床系统的改进技术来解决这一市场潜力，”莱文说。 “使用后者，刀具路径策略就会受到某种限制。 Open Mind 开发了一种增材编程流程，使几乎所有铣削刀具路径都适用于增材制造，并包含该市场所需的额外技术。这使用户可以自由地创建编程过程，包括 2D 和 3D 刀具路径策略，以及在需要时进行五轴控制。”

增材制造和混合制造（同一台机器上的增材制造和减材制造）越来越受欢迎。为什么？大多数金属添加剂工艺不会留下合适的表面光洁度。混合解决方案可在生产添加剂部分的同一台机器和装置上进行铣削加工。

“这些机器对最终用户来说很有趣。 Open Mind 积极参与基于定向能量沉积开发的增材制造工艺，”Levine 说。他补充说，使用情况包括与机器合作伙伴、大学和研究活动的演示，以及一些从事金属增材和混合加工的早期采用者工业最终用户。

“增材制造趋势正在引领我们走向混合 CAM 系统，”ESPRIT CAM 软件开发商、加利福尼亚州卡马里洛市 DP Technology Corp. 执行副总裁 Chuck Mathews 说。 “例如，ESPRIT Additive for Direct Energy Deposition 可在全光谱 ESPRIT CAM 系统中使用，在一个集成解决方案中提供增材和减材工艺的编程、优化和模拟。”

Mathews 表示，ESPRIT 的 Additive App 为多任务、多功能、多通道、车铣、增材和减材机床提供编程。加法和减法过程在一个界面内同时进行编程、优化和模拟。

增材制造技术几乎融入了所有 CAD/CAM 产品，因为增材制造为用户提供了传统减材制造方法所没有的设计自由度。

“这些新技术开辟了创造过去无法完成的零件的创新方法，”位于康涅狄格州托兰市的 Mastercam 软件开发商 CNC Software Inc. 的高级市场分析师 Ben Mund 说。 “通过将减材制造过程中获得的高精度表面与增材技术相结合，您可以实现这两种工艺的最佳效果，”Mund 说。

CAD/CAM 软件需要使工程师能够使用类似的工具来控制增材工艺和减材工艺。 Mund 表示要寻找支持材料、分级材料定义等特性，以及 3D 嵌套和优化零件方向等技术，让软件用户能够控制制造过程的各个方面。

“增材制造是我们 3D Systems 传统的一部分，我们在行业中看到了很多并排和集成的增材和减材制造，”增材机制造商 3D 的 GibbsCAM 产品经理 Daniel Remenak 指出Systems Inc., Rock Hill, S.C. “随着这些工作流程变得越来越普遍，这正在影响客户对编程软件的期望，它需要能够帮助程序员有效地连接这些技术。我们的 3DXpert 产品主要用于增材工作流程，利用我们全公司的 CAD 经验进行支持和晶格生成，以及我们的减材加工专业知识用于先进的切片引擎和打印后加工。”

Remenak 表示，在过去几年中，GibbsCAM 团队一直在与 CNC 机床供应商和研究人员合作，开发用于编程混合减材和沉积增材机床的专用技术。

快速生产策略

加工的“面包和黄油”可能在于自动化车间用户经常使用的功能，这些用户需要快速、准确的结果，以便始终按时按时制造出高质量的零件。这些目标的关键是 CAD 模拟，它通过确保零件程序正常运行、零成本碰撞以及更普通的 CAD 工具领域（被称为“CAD for CAM”并为用户提供坚果和- 快速制作零件所需的螺栓选项。

“我们每一项 CAD 功能和增强功能的主要重点都是基于‘CAD for CAM’的理念，这意味着让零件为制造做好准备，”CNC Software 的 Mund 说。 “这是我们的第一目标。无论用户是在 Mastercam 中从头开始创建复杂零件，还是需要分析和修复在另一个 CAD 系统中生成的零件的问题区域，我们的线框、曲面加工和实体工具套件都可以让一切机器就绪刻不容缓。”

Mund 说有几个因素会影响 CAD/CAM 设计，但大多数都涉及创新、降低成本、加快上市时间和提高效率。 “我们一直在倾听客户对他们正在使用的零件的需求，以及他们可能遇到的问题，以开发新工具，使 Mastercam CAD 工具套件中的更多事情成为可能，”Mund 说。 “用户创建新零件或对导入的零件进行编辑以支持制造过程的速度越快，编程和在机器上进行切割的速度就越快。

他补充说，加快上市时间是关键。 “可以使用我们的 CAD 工具在 Mastercam 内部进行许多调整，从而节省将其发送回原始 CAD 系统的时间和费用。在这种情况下，我们允许 CAM 程序员进行更改以支持加工过程，无论是设计夹具、构建临时的加工几何体还是修复原始 CAD 文件中的问题。

“效率意味着使用我们所有的工具来实现为机器准备零件的目标——线框、曲面和实体都为此目的而协同工作，”Mund 继续说道。最后，连通性很重要。 “在 CAD 世界中，这可能意味着从每个支持行业标准格式（如 IGES 和 STEP）以及常见的专有格式（如 SAT、DXF、DWG、X_T 等）的 CAD 建模器中读取零件，”

他还认为这意味着 Mastercam 零件文件中的 CAD 模型与 CAM 信息相关联；更改模型和刀具路径是可感知的，并且可以轻松更新，而无需从头开始。

其他供应商针对传统 CAM 用户采用类似的 CAD 方法。 “Open Mind 已将其 hyperCAD-S 基础（在 hyperMILL 内）设计为 CAD-for-CAM 模块。流行的 CAD 系统并不总是为 CAM 用户提供最佳的用户体验，”Levine 说。 “hyperCAD-S 的重点是简化驱动 CAM 系统所需的功能。一些示例包括边界选择、面扩展和过滤器选择（例如共面和同轴），以及在需要时修复和重新调整曲面的其他功能。”

他补充说，Open Mind 随后进一步为 CAM 用户和在 CAM 策略内提供了预定义的 CAD 实用程序序列，而无需进行基础选择。

“例如，在模具行业，锋利的边缘对于匹配型芯和型腔几何形状至关重要，以避免在成型过程中出现飞边，”莱文说。 “为了获得干净的边缘并避免刀具滚过边缘，扩展这些表面并正确引导刀具进出零件是有益的。”

hyperMILL Z 级形状精加工模块包括一个自动切线扩展，可为用户简化此过程。结果是加工表面和边缘，而无需在 CAM 编程过程中进行繁琐的选择和额外的步骤。

对于复杂的多轴加工，模拟是强制性的，与市场上一些更昂贵的第三方模拟相比，CAD 模拟已经变得流行。 GibbsCAM 的 Remenak 说：“我们继续看到复杂多任务机器的强劲趋势，以及对机器模拟的使用和依赖增加。” “机器车间专注于获取能够提供最佳编程效率、最高机器生产力和最强大的验证工具以及经过验证、可靠的后处理器的软件。”

后处理避免走弯路

如果没有良好的后处理，或者没有与其他制造软件解决方案一起使用的完整 CAD/CAM，用户最终可能会走上无法预料的弯路。 “在我们看来，让 CAM 系统‘好’的原因在于其后处理器的质量和供应商的技术支持，”DP Technology 的 Mathews 说。 “当编程问题得到快速准确的回答，并且系统生成了良好的代码时，编程就会得到简化，机器利用率会提高，而设置时间和周期时间都会下降。”

他认为，DP Technology 致力于提供最好的后处理和技术支持，并补充说：“ESPRIT 的战略是与机床制造商密切合作，并为每个 CNC 构建一个数字孪生，其中包括工厂开发的后处理器，旨在输出机加工优化、无需编辑的 G 代码，”Mathews 说。 DP Technology 通过专门的 ESPRIT 应用工程师团队为其北美客户提供工厂直接培训和技术支持，为 ESPRIT 提供支持。

一站式购物

完整的软件包可以吸引寻求 CAD/CAM 一站式购物的用户，将 CAD/CAM 与检测和计量相结合，或与 PLM、E​​RP 和 MES 解决方案相结合。

“我们从客户和新潜在客户那里听到的最新趋势之一是他们需要我们提供完整的制造解决方案，而不仅仅是 CAD/CAM 软件，”海克斯康制造智能生产软件美洲区域总监 Nick Spurrett 说, North Kingstown, R.I. “他们的要求代表了从 MES 解决方案到解决方案的所有内容，这些解决方案将带他们一直到完整的机床验证。随着 NCSIMUL 和 WORKPLAN 的加入，海克斯康生产软件正在调整我们的业务以应对这些最新趋势。”

海克斯康制造智能最近展示了构成生产软件组合的数字生产解决方案的演示，该组合包括几年前被海克斯康收购的 Vero Software 的几个 CAD/CAM 产品，以及高端的 NCSIMUL模拟和验证包，以及海克斯康的传统检测解决方案。

“我们继续开发我们所有的制造产品，包括更快的刀具路径创建和在整个产品集中提供波形策略，”新合并的阵容的 Spurrett 说。 “我们还提供先进的 Toolform 技术，为任何工具形状引入五轴加工。”他指出，它允许在零件表面上计算五轴工具形状，例如桶形、椭圆形、抛物线形或任何给定形状，包括负偏移（余量）。

“制造设计是我们在过去 12 个月推出的关键解决方案之一，”Spurrett 补充道。 “我们正在为希望利用收到的 CAD 数据或在机械车间或 CNC 程序员可以利用的 CAD 环境中工作的公司提供用于 CAM 或机械车间的 CAD 解决方案，因为它提供了他们专门进行制造所需的功能类型。使用直接建模允许用户通过在用户认为合适的情况下推动或拉动模型的各个部分来直接修改几何形状。”