Încercări de a genera comenzi numerice pentru mașini-unelte care să producă automat obiecte s-au făcut cu mult înainte de modelarea tridimensională, însă Computer Aided- Manufacturing este legat preponderent de modelarea 3D, respectiv de evoluția aplicațiilor software MCAD. Mai mult, unele dintre aplicațiile de modelare a solidelor au devenit paltforme apte să găzduiască module CAM cu tehnologii deja consacrate, acesta fiind și cazul ales pentru recenzia de astăzi: SolidCAM, ca soluție pentru SolidWorks, Solid Edge și Autodesk Inventor.
O scurtă istorie CAM
În perioada 1950-1960 la câteva companii mari (Renault, Boeing, Citroen, DeLaval Steam Turbine, General Motors) s-au experimentat primele aplicații informatice de generare a comenzilor numerice pentru unelte de prelucrare substractivă a metalului, iar asta se întâmpla la un deceniu și ceva de la apariția primelor mașini cu control numeric (CNC – Computer Numerical Control). Însă de-abia după 1985 se poate vorbi despre aplicări CAM conectate consecvent cu software-uri de modelare tridimensională (de la PTC, Unigraphics, Dassault Systèmes, ș.a.), iar un deceniu mai târziu soluțiile MCAD pentru PC-uri (SolidWorks, Solid Edge, Autodesk Inventor, ș.a.) se iveau aproape sincron cu integrarea fluxului CAD-CAM-CAE sub noul acronim PLM (Product Lifecycle Management). Tot în anii 1990 se consacrau nucleele algoritmice de modelare 3D ,,Parasolid’’ și ,,ACIS’’ (ca tehnologii standard pentru crearea/manipularea geometrică și topologică de obiecte 3D coerente), constituind premisă pentru colaborarea între aplicațiile MCAD, CAE și CAM. Curând se puteau observa și diversificări în noua piață, iar principalele criterii au fost: (1) după numărul de axe în care aplicația CAM era aptă să simuleze prelucrările și să genereze comenzile pentru mașina CNC (adică în 2, 3, 4, sau 5 direcții de prelucrare substractivă); și (2) dacă este vorba de o aplicație CAM independentă (însă aptă de a importa modele digitale create cu aplicația MCAD) sau de un modul software integrat în aplicația MCAD. Însă dincolo de aceste prime criterii există și alte caracteristici implicabile în alegere (abilități speciale de tratare a suprafețelor complexe, abilități de optimizare a traseelor sculelor de prelucrare; compatibilitate cu anumite mașini de prelucrare, ș.a.).
Industrii şi beneficii
Sunt multe situații în care este necesară fabricarea unei piese complexe din metal, prin proces substractiv (așchiere prin strunjire/frezare într-un prefabricat, sau prin electro-eroziune) și în care asistența informatică poate rezolva o serie de probleme tehnologice greu-tratabile în manieră tradițională, non-informatică (suprafețe cu forme negeometrice; situații de prelucrabilitate critică; respectarea precisă și consecventă a formelor și dimensiunilor; asigurarea calității suprafețelor prelucrate; detectarea incoerențelor de modelare și a coliziunilor de prelucrare; adaptarea rapidă la introducerea de modificări târzii în proiect; minimizarea timpilor de fabricație; minimizarea cheltuielilor cu energia consumată de mașinile de prelucrare; minimizarea cheltuielilor cu înlocuirea sculelor uzate; etc). Avem deja industrii care beneficiază tradițional de aplicațiile CAM: constructoare de automobile; aerospațială, navală, energetică, electronică, optică, etc, iar obiectele vizate pot fi destul de diverse: componente de motoare; piese de caroserie; pale de elice; componente de transmisie mecanică; componente de structură; piese de habitaclu uman; lentile asferice; pipe de lumină; ș.a.m.d. În anumite domenii/situații (medicină, cercetare, prototipare) sistemele integrate CAD-CAM pot fi angajate pentru proiectarea de obiecte concepute după specificații foarte particularizate (precum protezele umane) și fabricate în serie mică sau chiar unicate.
Se poate spune, ca o generalizare, că avantajele aduse de CAM acoperă de la precizia fabricației până la eficiență, și de la abilitatea de a crea forme complexe până la adaptabilitatea la modificări/ schimbare. Dar există și alte aspecte și criterii implicate aici. Desigur, asimilarea tehnologiei CAM presupune și un pic de efort (costuri, învățare, adaptare procese, timp), însă pe ansamblu câștigul este semnificativ, iar perspectivele informatizării sunt promițătoare pentru mai toate situațiile. Mai mult, întrucât procesul de simulare a mașinării (de analizare a traseelor sculelor așchietoare) implică asumarea de reguli și angajarea de experiențe anterioare, se preconizează că aplicațiile CAM vor include tot mai explicit tehnici de inteligență artificială și de ,,machine learning’’. Și, apropo de viitor, deja se prevede și o fuzionare (combinare) între prelucrările substractive și cele aditive (tipărire 3D) în fabricarea anumitor piese.
Despre SolidCAM
Software-ul SolidWorks a apărut în anul 1995, iar în 1997 a fost achiziționat de Dassault Systèmes (producătorul soluției MCAD high-end CATIA). Deși inițiat tot în anul 1995, software-ul Solid Edge (creat de firma Intergraph) a fost lansat în 1996, iar în 1998 a fost achiziționat de UGS (Unigraphics), companie care în anul 2007 avea să fie preluată de Siemens AG. Cea de-a treia platformă MCAD vizată aici, Autodesk Inventor, apărea în anul 1999 (fiind urmașa unei soluții pentru parametrizare 3D numită Designer).
La puțin timp după ce aceste software-uri de modelare a solidelor și-au dovedit coerența pe piață și potențialul de platforme MCAD, compania SolidCAM Ltd avea să creeze soluții add-on pentru fiecare. (Cu mențiunea că soluția pentru platforma de la Autodesk se numește InventorCAM.) Dar interesant este că primele idei din viitorul SolidCAM au apărut mult mai devreme, în anul 1984, ca funcții utilizator pentru software-ul CADTool, într-un pachet numit NCTool.
De-a lungul timpului soluțiile CAM din această familie s-au dezvoltat, ajungând să poată simula și programa mașinări în patru sau chiar în cinci axe (frezare și strunjire), să includă suport pentru așchiere cu viteză înaltă (High-Speed Machining, HSM), să gestioneze configurații multiple de lucru. În anul 2011 SolidCAM înregistra tehnologia revoluționară ,,iMachining’’, iar în 2020 își adăuga suportul pentru prelucrarea avansată (combinată/ simultană) cu capete de tip ,,Mill-Turn’’ și ,,Sliding’’. (Capetele glisante, cunoscute și sub numele de ,,strunguri de tip elvețian’’, adaugă mobilitate și pentru piesa de prelucrat, ceea ce permite un plus de control asupra așchierii, și astfel tehnologia devine utilă pentru producerea de piese mici și complexe folosind mai puține operații.)
Tehnologia inteligentă de frezare cu viteză înaltă patentată de SolidCAM sub numele ,,iMachining’’ se impunea pe piața CAM cu avantajul eficienței de timp (generarea rapidă a programelor CNC) și cu cel al optimului tehnologic (eficiența și coerența procesului de prelucrare; uzura minimă a sculei de așchiere).
Dintre particularitățile ,,iMachining’’ care asigură scurtarea timpului și economii de fabricare consecvente menționăm:
- algoritmul avansat din modulul ,,Intelligent Tool Path Generator’’, apt să maximizeze eficiența traseelor de așchiere spiralată, și pe care le poate combina cu traseele trohoidale minimale;
- modulul ,,iMachining Technology Wizard’’ calculează și optimizează automat avansurile și vitezele pentru fiecare punct al traseului de așchiere, ceea ce permite să se mențină constantă forța (apăsarea) pe unealtă dar și o pătrundere în material pe toată lungimea muchiei așchietoare, ceea ce reduce numărul de treceri și diminuează uzura uneltei.
Asistentul ,,Technology Wizard’’ își asumă sarcina de a stabili în mod dinamic turațiile și avansurile capetelor de tăiere, reglând treptele și adâncimile fiecărei treceri de așchiere. Pe baza proprietăților specifice ale materialului prefabricatului (metal, de regulă; diverse oțeluri, aluminiu, aliaje moi), dar folosind și proprietățile mecanice ale dispozitivului de prindere și ale sculei, asistentul furnizează valori sincronizate pentru rata de pătrundere, pentru viteza axului, pentru adâncimea de pătrundere axială, pentru unghiul de tăiere, pentru grosimea așchiilor/șpanului, ș.a. – și totul corelat/adaptat cu limitele tehnice ale mașinii CNC reale pentru care generează programul de comenzi. La nivelul interfeței, facilitatea ,,iMachining level slider" permite utilizatorului să selecteze dintre 8 nivele de implicare a asistenței, pentru a potrivi parametrii tehnologici – într-o măsură mai mare sau mai mică – la contextul real de mașinare (îngăduind astfel să se trateze provocările comune privind rigiditatea axului, rigiditatea dispozitivului de fixare și stabilitatea sculei de tăiere). Nivelul 1 corespunde la minimul MRR (Material Removal Rate) și nivelul 8 la maximul MRR, iar nivelele intermediare constituie diverse combinări interpolate.
O altă facilitate unică a lui iMachining constă în unghiul variabil de tăiere (pe care îl menține totuși între două limite controlabile). În plus, tehnologia folosește avans variabil (adică pas de înaintare neconstant) cu scopul de a menține constantă solicitarea arborelui (uneltei de așchiere) pentru diverse lățimi de tăiere. Când se reduce unghiul de avans (cu scopul de a eficientiza obținerea formelor) se obțin rate de avans/pătrundere mai mari. Pe ansamblu se poate ajunge la diverse condiții optime de așchiere, cu efect în mărirea vitezei de lucru și în menajarea sculelor și a mașinii.
O adiție recentă la această familie este ,,SolidCAM Sim5X’’, un set de facilități profilate pentru simularea/generarea traseelor de mașinare în cinci axe, cu o interfață utilizator foarte accesibilă și focusată, cu funcții de semnalare a coliziunilor și cu un control avansat asupra aspectelor traseelor de așchiere:
- gamă largă de strategii predefinite pentru așchiere simultană în cinci axe;
- trasee de prelucrare ce urmează forma naturală a componentei;
- prelucrarea cu finisare pe suprafețe multiple menține unealta normală la suprafață (sau cu avans și întârziere specificate) pentru a conferi o finisare netedă a suprafeței;
- control evoluat pentru înclinarea sculei și control direct asupra înclinării laterale și asupra un-ghiurilor de avans/întârziere;
- degroșarea multi-axe îndepărtează eficient materialul rămas din diametrul mai mare al frezei utilizate anterior;
- simulare 3D completă realistă a mașinii, cu verificare deplină a coliziunilor și a limitelor de axe.
Portofoliul SolidCAM include și o soluție specializată pentru fabricarea de matrițe (forme adaptate pentru tehnologia de turnare plastică), unde intervin provocări particulare privind acuratețea suprafeței (inclusiv referitor la canalele de injecție/aerisire), finisarea suprafeței, materialele speciale pentru viitoarea matriță, și termenele scurte de livrare (plus eventuale modificări de proiect fără preaviz).
De altfel, nu putem itera aici toate atuurile soluțiilor SolidCAM, așa că spre final doar vom menționa câteva dintre mașinile CNC și controller-ele cu care aplicația poate lucra direct: Brother, DMG Mori, Doosan, Fanuc, Grob, Haas, Heller, Hurko, Kitamura, Maier, Makino, Matrix, Matsuura, Mazak, MicroCUT, Mikron, Mitsubishi, Miyano, Nakamura, OKK, Okuma, QuickTech, Siemens, Sinumerik, Tornos, etc.
