ПРОБЛЕМАТИКА УПРАВЛЕНИЯ АДДИТИВНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Информатика, вычислительная техника и управление

DOI 10.36622/VSTU.2021.17.2.001 УДК 004.75, 65.011.56

ПРОБЛЕМАТИКА УПРАВЛЕНИЯ АДДИТИВНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

С.Л. Добрынин, В.Л. Бурковский Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: произведена классификация технологий аддитивного производства по базовому состоянию материала: жидкая основа, твердая основа, порошковая основа. Даны определения распространенных технологий в зависимости от базового состояния материала. Описаны технологические процессы изготовления прототипов и конечных изделий методами аддитивного производства, включающие в себя проектирование 3Б-модели, преобразование форматов, нарезку 3Б-модели на слои, формирование G-code и непосредственно печать. Рассмотрены технологии четвертой промышленной революции как инструмент повышения эффективности управления технологическими процессами аддитивного производства. Представлена модель модернизации технологического процесса аддитивного производства на основе технологий промышленного интернета вещей, аппаратной реализацией которого является одноплатный компьютер Raspberry Pi, программной реализацией является MTConnect - промышленный стандарт обмена данными станков с числовым программным управлением. Использование Raspberry Pi, подключенных к нему датчиков и программного обеспечения OctoPrint реализует контроль и удаленное управление технологическим оборудованием аддитивного производства (3Б-принтером) в режиме реального времени. Представлено техническое устройство основных подсистем облачной платформы аддитивного производства. Архитектура предлагаемой системы состоит из четырех уровней: уровень адаптера доступа, уровень виртуализации ресурсов, уровень управления службами, уровень пользовательского инструментария

Ключевые слова: аддитивное производство, четвертая промышленная революция, промышленный интернет вещей, распределенная система управления

Введение

Аддитивное производство (АП) - это процесс создания объектов на основе данных трехмерной модели, как правило, слой за слоем (готовое изделие формируется путем сложения материала), в отличие от субтрактивного производства, где применяются методы механической обработки, такие как обработка резаньем (готовое изделие формируется путем вычитания материала). Благодаря послойному изготовлению АП позволяет создавать объекты сложной геометрической формы с минимальным расходом материала, такого как пластмассы, полимеры и металлы. Несмотря на то, что все еще есть некоторые сомнения относительно применимости АП в массовом производстве, использование в промышленности растет благодаря новым технологическим достижениям [1]. Первые применения АП были в области быстрого создания прототипов и макетов. В настоящее время благодаря развитию и повышению качества продукции, изготовление функциональных продуктов конечного использования стало основным технологическим

© Добрынин С.Л., Бурковский В.Л., 2021

направлением АП. Такие отрасли, как аэрокосмическая, автомобильная промышленность, в которых потребность в производстве компонентов сложной геометрической формы с минимальным расходом дорогостоящего материала очень высока, используют АП [2]. В медицинском секторе АП применяется в ортодон-тии, протезировании, создании имплантов благодаря высокой степени персонализации изготавливаемых изделий [2]. Также технологии АП применяются в области микроэлектроники и радиочастот для разработки следующего поколения устройств микроволнового и миллиметрового диапазона, предназначенных для различных носимых датчиков и ЯРЮ-меток [3]. Являясь развивающейся технологией для создания точных и геометрически сложных объектов, АП может предложить способ замены традиционных производственных технологий в ближайшем будущем.

Технологии аддитивного производства

Все оборудование для АП, производимое сегодня, основано на концепции послойного нанесения, а обрабатываемый материал - это

то, что отличает эти устройства. Существует множество отдельных технологий SD-печати, которые различаются по способу изготовления слоев [4]. Технологические процессы будут отличаться в зависимости от используемого материала и принципа работы машины. Классификация технологий АП разделяется по базовому состоянию материала: жидкая основа, твердая основа, порошковая основа (рис. 1).

Моделирование методом наплавления (FDM, FFF) - формирование объекта основано на послойном осаждении нити из плавкого материала (воск, пластик, металл). Рабочий материал подается в экструдер, который выдавливает через сопло тонкую нить расплавленного материала на охлажденную или нагретую платформу, формируя топологию слоя разрабатываемого объекта [5].

Лазерная стереолитография (SLA) - формирование объекта основано на использовании специального жидкого фотополимера, который затвердевает под действием лазерного излучения. После формирования топологии текущего слоя лазерным излучением объект погружается в фотополимерный состав на толщину одного слоя, далее процесс повторяется. Существует вариация данной технологии - SLA-DLP, в которой вместо лазера используется DLP-проектор. Данная технология позволяет формировать топологию слоя целиком, что ускоряет процесс печати объекта [5].

Изготовление объектов с использованием ламинирования (LOM) - формирование объекта

происходит методом послойного склеивания (давлением, нагревом) тонких пленок рабочего материала с вырезанием топологии контуров на каждом слое с помощью режущего инструмента или лазерного излучения [5].

Лазерное плавление (SLM) - технология послойного АП с использованием лазера. Широкое распространение данной технологии обусловлено высоким качеством изготовления объекта, которое может быть гарантировано малым радиусом лазерного пятна [5].

Селективное лазерное спекание (SLS) -формирование объекта основано на плавлении под действием лазерного излучения из плавкого порошкового материала (пластик, металл). Рабочий материал наносится на платформу равномерным тонким слоем, после чего лазерное излучение формирует топологию текущего слоя разрабатываемого объекта. Далее платформа опускается вниз на толщину одного слоя, и процесс начинается сначала [5].

Электронно-лучевая плавка (ЕВМ) - данная технология похожа на SLS, только здесь формирование объекта происходит путем плавления рабочего материала электронным лучом в вакууме [5].

3D-печать (3DP) - в отличие от SLS, данная технология не использует плавление: формирование объекта из порошкового материала происходит путем склеивания, с использованием струйной печати для нанесения жидкого клея [5].

Рис. 1. Классификация технологий аддитивного производства

Технологические процессы аддитивного производства

При изготовлении прототипов и конечных

изделий методами АП каждая технология использует одни и те же технические принципы: компьютер анализирует твердое тело, смоделированное в виртуальной среде (САПР), затем

происходит нарезка 3D модели на слои, которые систематически воссоздаются и объединяются в трехмерный объект на оборудовании -3D-принтере. Технологические процессы создания объекта показаны на рис. 2.

Процесс обычно начинается с двухмерного изображения (чертежа) или физического трехмерного объекта, такого как прототип или деталь для обратного проектирования. Они преобразуются в цифровые 3D-модели с использованием программного обеспечения для твердотельного моделирования, такие как КОМПАС-3D или SOLIDWORKS. После разработки 3D-модели для дальнейших технологических процессов ее необходимо преобразовать в другой формат данных, который выбирается в зависимости от используемой технологии.

Рис. 2. Технологические процессы создания объекта

Например, если SD-принтер печатает объекты методом FDM или FFF, файл SD-модели необходимо преобразовать в формат STL (от англ. stereolithography). Затем модель нарезается или иным образом дискретизируется для создания инструкций для машины с помощью специального программного обеспечения (Cura, Simplify3D и т.д.) и преобразуется в G-code. Также на этом этапе происходит настройка параметров принтера, таких как температура рабочих зон, скорость печати периметров и за-

полнения, толщина слоя, генерация поддерживающих структур. Далее происходит процесс печати, после которого возможна различная постобработка, характерная для выбранной технологии АП.

Аддитивное производство в контексте

четвертой промышленной революции

Четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) - парадигма дальнейшего развития автоматизации традиционного производства с использованием современных интеллектуальных технологий для достижения более эффективного и максимально автономного цифрового управления в режиме реального времени [6]. В настоящее время использование современных производственных решений в контексте интеграции информационных технологий играет важную роль в экономической конкурентоспособности. Индустрия 4.0 предлагает кибернетические и физические системы для увеличения эффективности производства с целью создания умных фабрик путем пересмотра роли людей. Ее фундаментальные концепции, связанные с виртуальной средой, включают киберфизиче-ские системы, интернет вещей, большие данные, облачные вычисления и т.д., тогда как физическая область включает автономных роботов и АП [7]. Киберфизическая система - новое поколение цифровых систем, которое в основном фокусируется на сложных взаимозависимостях и интеграции между киберпростран-ством и физическим миром. Киберфизическая система состоит из глубоко интегрированных вычислительных, коммуникационных, управляющих и физических элементов. Интернет вещей описывается как концепция сбора информации с физических объектов с использованием компьютерных сетей или современных беспроводных соединений [8]. Информация, извлеченная из продуктов, машин или производственных линий, составляет значительный объем статистических данных, подлежащих обмену и анализу. Другими источниками данных являются проектные записи, заказы клиентов, информация о запасах и логистике. В целом этот большой объем данных определяется как большие данные, что является еще одним важным понятием в Индустрии 4.0. Облачные вычисления, которые связаны с обработкой всей доступной информации, также можно рассматривать как один из значимых терминов в виртуальной производственной среде. Все эти кибер-технологии помогают обеспечить эффек-

тивное использование существующей информации для интеллектуального производства. С другой стороны, физическая часть умных фабрик ограничена возможностями существующих производственных систем. Это делает АП одним из жизненно важных компонентов Индустрии 4.0. Из-за необходимости массовой индивидуализации необходимо разработать нетрадиционные методы производства.

Текущие методы управления АП, в частности, процессами FDM, FFF печати, не реализуют должного качества управления в контексте Индустрии 4.0. Выделяют следующие типы проблем:

- интеллектуальность системы управления. Основанная (в большинстве случаев) на микроконтроллере, система управления не позволяет осуществить интеграцию SD-принтера в сеть интернет (из-за ограниченных вычислительных ресурсов) [9];

- отсутствие обратной связи, контроля качества. Процесс FDM, FFF печати не предполагает реализации системы, способной детектировать отклонения изготавливаемого изделия от его CAD-модели или возможных нарушений в работе SD-принтера, таких как эффект «спагетти» и прочих деформаций объекта [9];

- отсутствие системы принятия решений. Как и любой производственный процесс, процессы SD-печати имеют ряд ограничений, понимание которых необходимо для гарантии совместимости выбранной комбинации параметров с SD-принтером, материалом, процессом. Раннее рассмотрение этих технологических ограничений на этапе проектирования важно для ускорения разработки изделия и снижения затрат [10];

- планирование расписания АП. Существующие подходы к производственному планированию и составлению графиков должны быть доработаны и адаптированы, чтобы соответствовать техническим требованиям технологий АП [11].

В данной статье рассматривается проблема интеграции SD-принтера в сеть интернет. Предлагается использование технологий промышленного интернета вещей как инструмента повышения эффективности управления и контроля над технологическими процессами АП, которые интегрируют управление удаленно подключенными SD-принтерами в расширенную среду PDM в качестве MES функций [12]. Промышленный интернет вещей реализует набор информационных и коммуникационных технологий, которые соединяют рассредото-

ченные датчики или исполнительные механизмы через интернет. Это позволяет собирать информацию с датчиков и активно управлять подключенными машинами или объектами с помощью встроенных исполнительных механизмов. Для FDM, FFF SD-принтера данные технологии реализуются с помощью одноплатного компьютера Raspberry Pi и программного обеспечения OctoPrint, которое позволяет осуществить контроль и удаленное управление подключенными к интернету SD-принтерами. Оно поддерживает открытое аппаратное и программное обеспечение для SD-принтеров. Использование промышленного стандарта MTConnect позволяет интегрировать гетерогенное технологическое оборудование в единую систему управления. С помощью представленной модернизированной системы управления SD-принтером пользователи могут загружать файлы SD-моделей, запускать процесс печати своих продуктов, а также контролировать и управлять SD-принтером в режиме реального времени через интернет. Модель технологического процесса АП на основе технологий промышленного интернета вещей представлена на рис. 3.

Рис. 3. Модель технологического процесса АП на основе технологий 11оТ

Распределенное аддитивное производство

Интеграция 3D-печати в облачное производство может способствовать развитию буду-

щих интеллектуальных АП и позволить реализовать новый сервис-ориентированный подход к 3D-печати для достижения массовой индивидуализации. Архитектура облачной платформы АП представлена на рис. 4. Эта архитектура предназначена для управления и контроля над облачной моделью АП. Четыре уровня: уровень адаптера доступа, уровень виртуализации ресурсов, уровень управления службами и уровень пользовательского набора инструментов, составляют облачную платформу для АП.

Уровень ресурсов. Как показано на рис. 4, уровень ресурсов находится за пределами облачной платформы, представляя собой терри-ториально-распределенное оборудование - 3D-принтеры. Производители могут предлагать услуги с использованием этих производственных ресурсов на основе модели издатель-подписчик в сервис-ориентированной среде. Эти производственные услуги можно использовать для удаленной работы в облаке и мониторинга в реальном времени. Механизм связи между уровнем виртуализации и уровнем ресурсов основан на интеграции двух протоколов связи - MTConnect и TCP/IP. MTConnect используется в качестве метода связи для сбора данных о ресурсах и их мониторинга. TCP/IP используется как протокол связи для отправки рабочих запросов и получения ответов. Различные типы 3D-принтеров могут быть подключены к интернету в соответствии с различными протоколами связи.

Уровень адаптера доступа. Уровень адаптера доступа отвечает за адаптацию доступа к различным 3D-принтерам, а также за унификацию интерфейсов ввода-вывода. Облачная платформа должна определять набор абстрактных цифровых интерфейсов ввода-вывода 3D-принтеров в качестве стандартных интерфейсов, используемых всеми другими компонентами облачной платформы. Обычно к элементарным интерфейсам относятся получение и установка параметров устройства, мониторинг состояния, управление в реальном времени и контроль доступа.

Уровень виртуализации ресурсов. Информация о подключенных 3D-принтерах и всех видах служб 3D-печати накапливается и находится под централизованным управлением уровня виртуализации ресурсов. Для представления 3D-принтера в виртуальном пространстве необходимо разработать модель цифрового двойника. С одной стороны, должна быть создана структурированная формальная модель для описания машинных параметров 3D-

принтера. С другой стороны, функциональные интерфейсы можно виртуализировать, используя методы виртуализации программного обеспечения. Таким образом, по мере роста количества подключенных к сети 3D-принтеров они могут формировать сеть виртуальных производственных ресурсов на облачной платформе.

Уровень управления службами. На уровне управления службами размещается набор основных облачных сервисов, таких как управление библиотекой 3D-моделей, преобразование формата модели, нарезка моделей на слои, мониторинг и управление виртуальным принтером и технологическим процессом печати. Эти облачные службы разрабатываются как веб-службы RESTful с использованием протокола REST на основе HTTP для межкомпонентной связи. Уровень управления службами также взаимодействует с уровнем пользовательского инструментария, используя протокол REST на основе HTTP.

Рис. 4. Архитектура облачной платформы аддитивного производства

Уровень пользовательского инструментария. Уровень пользовательского инструментария предоставляет инструменты для пользователей облачной платформы 3D-печати. Инструментарий в основном состоит из двух категорий инструментов. Одна категория - это инструменты общего назначения, включая управ-

ление пользователями, управление транзакциями, управление бухгалтерским учетом и оценку стоимости производства. Другая категория -соответствующие инструменты для SD-печати, состоящие из инструмента поиска SD-модели, инструмента для поиска услуг, онлайн-инструмента САПР, онлайн-инструмента для нарезки моделей и консоли виртуального SD-принтера.

Заключение

Развитие современных производств предполагает новые способы изготовления прототипов и конечных продуктов. АП является перспективной технологией и позволяет ускорить изготовление продукции и уменьшить расход рабочего материала. Использование технологий четвертой промышленной революции позволяет повысить эффективность управления технологическими процессами АП, благодаря чему становится возможным переход к территори-ально-распределенному облачному производству.

Литература

1. Краснов А.А., Смоленцев Е.В. Аддитивное и суб-трактивное производство // Инновационная наука. 2016. №12-2. С. 72 - 75.

2. Additive manufacturing (SD printing) / T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K.T.Q. Nguyen, D. Hui // A review of

materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering. 2018. № 143(1). Р. 172-196.

3. Additive manufacturing as an emerging technology for fabrication of microelectromechanical systems (MEMS)/ S. Kumar, P. Bhushan, M. Pandey & S. Bhattacharya// Journal of Micromanufacturing. 2019. № 2(2). Р. 175-197

4. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прото-типирование и прямое цифровое производство. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 656 с.

5. Аддитивные технологии [Электронный ресурс]: Википедия. Свободная энциклопедия. Режим доступа: URL: https://ra.wikipedia.org/wiki/Аддитивные_технолоraи (дата обращения: 10.10.2020).

6. The role of additive manufacturing in the era of Industry 4.0/ U.M. Dilberoglu, B. Gharehpapagh, U. Yaman, M. Dolen// Procedia Manufacturing. 2017. № 11. Р. 545-554

7. Vaidya S., Ambad P., Bhosle S. Industry 4.0 - A Glimpse// Procedia Manufacturing. 2018. № 20. Р. 233-238

8. Wang L. & Wang G. Big Data in Cyber-Physical Systems, Digital Manufacturing and Industry 4.0// International Journal of Engineering and Manufacturing. 2016. № 4. Р. 1-8

9. Kim H., Lin Y. & Tseng T.-L. B. A review on quality control in additive manufacturing// Rapid Prototyping Journal. 2018. № 24(3). Р. 645-669.

10. Integrated product-process design: Material and manufacturing process selection for additive manufacturing using multi-criteria decision making / U.K. Zaman, М. Rivette, А. Siadat & S.M. Mousavi// Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2018. № 51. Р. 169-180.

11. Li Q., Kucukkoc I. & Zhang D.Z. Production planning in additive manufacturing and 3D printing // Computers & Operations Research. 2017. № 83. Р. 157-172.

12. Lee C., Leem C.S. & Hwang I. PDM and ERP integration methodology using digital manufacturing to support global manufacturing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. № 53(1-4). Р. 399-409.

Поступила 11.01.2021; принята к публикации 14.04.2021 Информация об авторах

Добрынин Степан Леонидович - аспирант кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: DobryninSL 1994@gmail. com

Бурковский Виктор Леонидович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: BVL@vorstu.ru

PROBLEM OF ADDITIVE MANUFACTURING MANAGEMENT BASED ON THE TECHNOLOGIES OF THE INDUSTRIAL INTERNET OF THINGS

S.L. Dobrynin, V.L. Burkovskiy Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: we classified additive manufacturing technologies according to the basic state of the material: liquid base, solid base, powder base. We give definitions of common technologies depending on the basic state of the material. We describe the technological processes of manufacturing prototypes and final products by methods of additive manufacturing, including designing a 3D model, converting formats, slicing a 3D model into layers, forming a G-code and directly printing. We considered the technologies of the fourth industrial revolution as a tool for increasing the efficiency of control of technological processes of additive manufacturing. We present a model of modernization of the technological process of additive manufacturing based on technologies of the industrial internet of things, the hardware implementation of which is a single-board computer Raspberry Pi, the software implementation is MTConnect - an industrial standart for the exchange of data of machine tools with numerical control. Using Raspberry Pi, sensors connected to it and software OctoPrint implements control and remote management of additive manufacturing equipment (3D printer) in real time. We present the technical structure of the main sub-

12

systems of the cloud platform for additive manufacturing. The architecture of the proposed system consists of four levels: the

access adapter level, the resource virtualization level, the service control level, and the user instrumentation level

Key words: additive manufacturing, fourth industrial revolution, industrial internet of things, distributed control system

References

1. Krasnov A.A., Smolentsev E.V. "Additive and subtractive production", Innovative Science (Innovatsionnaya nauka), 2016, no. 12-2, pp. 72-75.

2. Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.T.Q., Hui D. "Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges", Composites Part B: Engineering, 2018, vol. 143(1) pp.172-196.

3. Kumar S., Bhushan P., Pandey M., Bhattacharya S. "Additive manufacturing as an emerging technology for fabrication of microelectromechanical systems (MEMS)", Journal ofMicromanufacturing, 2019, 251659841984368.

4. Gibson J., Rosen D, Stacker B. "Additive manufacturing technologies. 3D printing, rapid prototyping and digital direct manufacturing" ("Tekhnologii additivnogo proizvodstva. Trekhmernaya pechat', bystroe prototipirovanie i pryamoe tsifrovoe proizvod-stvo"), Moscow, TEKHNOSFERA, 2016, 656 p.

5. "Additive technologies", Wikipedia, available at: https://ru.wikipedia.org/wiki/Additive_technologies (date of access 10.10. 2020).

6. Dilberoglu U.M., Gharehpapagh B., Yaman U., Dolen M. "The role of additive manufacturing in the era of Industry 4.0", ProcediaManufacturing, 2017, vol. 11, pp. 545-554.

7. Vaidya S., Ambad P., Bhosle S. "Industry 4.0 - A glimpse", Procedia Manufacturing, 2018, vol. 20, pp.233-238.

8. Wang L., Wang G. "Big data in cyber-physical systems, digital manufacturing and Industry 4.0", International Journal of Engineering and Manufacturing, 2016, vol. 4, pp.1-8.

9. Kim H., Lin Y., Tseng T.-L.B. "A review on quality control in additive manufacturing", Rapid Prototyping Journal, 2018, vol. 24(3), pp. 645-669.

10. Zaman U.K. uz, Rivette M., Siadat A., Mousavi S.M. "Integrated product-process design: Material and manufacturing process selection for additive manufacturing using multi-criteria decision making", Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2018, vol. 51, pp. 169-180.

11. Li Q., Kucukkoc I., Zhang D.Z. "Production planning in additive manufacturing and 3D printing", Computers & Operations Research, 2017, vol. 83, pp. 157-172.

12. Lee C., Leem C.S., Hwang I. "PDM and ERP integration methodology using digital manufacturing to support global manufacturing", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, vol. 53(1-4), pp. 399-409.

Submitted 11.01.2021; revised 14.04.2021 Information about the authors

Stepan L. Dobrynin, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: DobryninSL1994@gmail.com

Viktor L. Burkovskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: BVL@vorstu.ru