Создание фрезерного ЧПУ-станка в единой среде Fusion 360 за полгода

Beaver Technology 2 года назад основали Максим и Александр Бобрышевы. Сначала братья не предполагали, что будут заниматься изготовлением станков, их бизнес-идея заключалась в производстве и продаже автоматических приводных механизмов для «умного дома». Планировалось пройти весь цикл запуска нового продукта. Но когда львиная доля работы была проделана, партнеры осознали, что рынок не столь привлекателен, как казалось с самого начала. В частности, добиться ожидаемого результата могла помешать высокая конкуренция с зарубежными, в первую очередь китайскими производителями. Однако деятельность, развернутая на рынке «умных домов», натолкнула братьев на неожиданную идею.


Слева: расчет станка BeaverMill в Autodesk Fusion 360. Справа: станок BeaverMill, оптимизированный методами генеративного дизайна. Изображения предоставлены Beaver Technology

Для создания прототипа и изготовления пробной партии автоматических редукторов Бобрышевым требовался собственный станок. После нескольких месяцев поисков стало понятно, что на российском рынке нет оборудования, закрывающего потребности компании. Станки либо очень большие и дорогие, либо низкопроизводительные. Импорт же станков слишком сложен, а сроки поставки непредсказуемы. Узнав, что похожие проблемы испытывают и другие малые и средние компании, предприниматели решили отказаться от идеи создания оборудования для «умного дома» в пользу станков.

Прежде чем перейти к разработке прототипа, требовалось определить все значимые характеристики нового изделия. Для этого предприниматели использовали QFD-анализ: путем опроса участников рынка определили потребительские характеристики, затем трансформировали их в технические и затем – в технологические. Были численно определены около 40 требований к станку, среди которых можно отметить: 

• Универсальность. Станок должен был уметь обрабатывать различные материалы, в том числе пластмассу, сталь, алюминий, быть производительным и доступным по цене.
  
  
• Минимальная площадь обслуживания. Обычно станку необходимо до 2 метров свободного пространства со всех сторон. Его трудно разместить в тесном помещении, что усложняет задачу небольшим производствам. Так, одной из характеристик станка стала минимизация зоны обслуживания.
  
  
• Компактность, удобство сборки и транспортировки. Весь необходимый функционал требовалось уместить в корпусе минимального объема – 3,8-4 м3. А сопутствующее оборудование, в частности электрический шкаф, – разместить внутри корпуса.
  
  
• Максимальная жесткость, которая позволит добиться высокой точности и производительности механической обработки. Численные значения необходимой жесткости были получены не только из ГОСТов, которые описывают требования к жесткости фрезерных станков, но и на основе многочисленных научных исследований по воспринимаемым нагрузкам во время фрезерования.
  
  
• Хороший обзор рабочей зоны. Опросы и анализ конкурентов показали, что у большинства представленных на рынке станков проблема с видимостью рабочей зоны, поскольку они разрабатываются под серийное производство. В то время как при работе над прототипами и малыми сериями пользователю при отладке нужно видеть весь процесс обработки. Чтобы решить эту задачу, в станках Beaver Technology решено было сделать панорамное остекление, продумать места размещения ламп, их защиту и другие нюансы, связанные со светом.

Также на этапе постановки задачи были описаны требования к высоте ручек, конфигурации полок, местам хранения инструментов, продумана технология удаления стружки и многое другое. В результате документация, описывающая требования к станку и оценку вариантов исполнения, составила около 400 страниц. Параллельно предприниматели прорабатывали сценарии использования станков (user cases). Было рассмотрено около ста сценариев, в том числе распаковка станка, залив масла, чистка и многое другое. Это помогло внести некоторые корректировки в ТЗ и сформулировать правила безопасности, которые впоследствии необходимо будет транслировать пользователям. Следующим шагом стало непосредственно проектирование и создание прототипов.

В качестве базового программного инструмента для разработки прототипов станка предприниматели выбрали Autodesk Fusion 360. «Этот продукт закрывает все потребности, которые у нас были на том этапе, – рассказывает Александр Бобрышев. – Он позволяет организовать эффективную совместную работу группы инженеров над единой 3D-моделью, имеет функционал моделирования с помощью технологии генеративного дизайна, а также ряд встроенных рабочих пространств, например, для работы с листовыми деталями, CAM-систему, рендеринг и расчеты».


Топологическая оптимизация кронштейна. Изображение предоставлено Beaver Technology

К проектированию станка были привлечены инженеры-конструкторы, все они удаленно в Autodesk Fusion 360 моделировали свои узлы, подключенные к основной сборке. Раз в сутки их модели синхронизировались. Ведущий инженер по узлу проверял единую модель на коллизии, на собираемость, если находились пересечения или другие проблемы, выдавал задания на доработку узла. 

«Наглядность и удобство моделирования в Fusion 360 позволяли быстро решать сложные задачи по компоновке систем и деталей внутри корпуса, – рассказывает Александр Бобрышев. – Мы располагали 2 м2 площади, поэтому приходилось экономить каждый миллиметр. Самая сложная с этой точки зрения часть станка располагалась справа, в ней необходимо было разместить электрический шкаф с электроавтоматикой, контакторами. К ним примыкал расположенный на двери монитор, стойка с клавиатурой ЧПУ и чиллер для охлаждения станка».


Слева: полноразмерный макет станка, сделанный из пены, для проверки эргономики. Справа: фрезерный станок BeaverMill. Изображения предоставлены Beaver Technology

Сложная форма станины была спроектирована с помощью инструментов Fusion 360 для генеративного дизайна. В качестве исходных данных были заданы ограничения для генерации моделей, среди них – площадь, материал изготовления, жесткость и допустимые нагрузки. В результате была сгенерирована станина, берущая на себя основные нагрузки станка, а также другие силовые структуры, каждая из которых в дальнейшем проверялась на прочность и собственные частоты встроенными инструментами конечно-элементного анализа Fusion. Рабочее пространство «генеративный дизайн» выдало примерно 10 устраивающих вариантов. Некоторые сгенерированные решения противоречили практическому опыту, например, большая площадь основания, однако практические испытания подтвердили все эти расчеты. После генеративного дизайна детали приобрели облик, учитывающий технологию. Отдельные узлы оптимизировались с учетом модуля топологической оптимизации, например, узел шпиндельной бабки.

Встроенные инструменты анализа Autodesk Fusion 360 позволили найти необходимый баланс между подвижными и неподвижными элементами станка.

«Требовалось добиться оптимальной жесткости и частотных характеристик, при которых колебания гасились бы внутри системы, – рассказывает Максим Бобрышев, генеральный директор компании. – В результате мы смогли добиться необходимого соотношения масс сопряженных элементов станка – шпиндельной бабки, колонны, ее основания и других элементов, обеспечив отличные характеристики колебания. Резонансные частоты разработанного нами станка соответствуют частотам станков, превосходящих его по весу в два-четыре раза, это было бы невозможно разработать без методов генеративного дизайна и топологической оптимизации». Резонанс – один из важнейших факторов, влияющих на качество обработки и стойкость инструмента. Также востребованным со стороны Beaver Technology функционалом стало рабочее пространство Sheet Metal, позволяющее делать развертки, а также рабочее пространство Animation. С его помощью специалисты смогли сделать «живые» сборочные инструкции и получить наглядные презентации для решения маркетинговых задач. Для кинематических проверок сборки использовали функционал моделирования и эргономики рабочего пространства Design. По ключевым узлам создавались физические прототипы с помощью 3D-печати.

С момента идеи до выпуска первого рабочего образца станка у Beaver Technology ушло около полугода. Из них около трех месяцев было потрачено на создание эргономического макета – станка без электронных компонентов, на котором проверяли удобство корпуса. В начале 2022 года компания готовится к отгрузке первой партии станков. «На этапе моделирования и выпуска прототипа Autodesk Fusion 360 закрыл все наши вопросы, - подводит итог Александр Бобрышев. – Что касается дальнейших планов, то при переходе на серийное производство мы планируем внедрить Autodesk Inventor, который хорошо работает с большими сборками».



Источник:  https://www.autodesk.ru/customer-stories/beaver-technology