Зачем использовать моделирование в 3D-печати?
Моделирование процесса 3D-печати очень ценно, поскольку помогает:
Избегать сбоев при печати и брака деталей из-за геометрических проблем, экономя время и снижая общие затраты.
Оценивать производственный риск и дает указания по снижению вероятности отказа.
Оптимизация производства, чтобы повысить скорость производства, сокращение количества операций постобработки или повысшенте точности за счет уменьшения деформации детали и поддержки.
Вы можете выполнить моделирование до или после создания опорных конструкций:
Перед созданием поддержки результаты моделирования помогают определить критические области значительных деформаций или внутренних напряжений во время производства. Затем конструктор может добавить адаптированные опорные конструкции для минимизации деформации, изменить ориентацию печати, чтобы изменить области накопления тепла, или изменить геометрию 3D-модели для улучшения качества конечного результата.
После создания поддержки моделирование помогает свести к минимуму риск производственного сбоя (например, из-за столкновения при повторном нанесении покрытия), гарантировать, что размеры конечной детали находятся в пределах указанного диапазона допусков, и оценить влияние различных параметров печати (например, путем сравнения параметров оптимизированых для производства по сравнению с параметрами, оптимизированными для точности).
В обоих случаях моделирование помогает снизить риск, связанный с дорогостоящим производством, и повысить производительность 3D-печати в больших объемах, сэкономив недели производственного времени и тысячи долларов на разработке и производственных затратах.
Какие процессы 3D-печати моделировать?
Моделирование наиболее актуально для дорогостоящей и высокоточной 3D-печати. Более того, самые популярные современные пакеты моделирования 3D-печати основаны на программах для моделирования сварки металлов. Таким образом, симуляции чаще используются с металлической 3D-печатью.
Однако все основные процессы 3D-печати можно смоделировать, и вот почему:
SLM / DMLS: SLM и DMLS являются старейшими и наиболее зрелыми технологиями среди процессов 3D-печати металлом, поэтому многие программные пакеты ориентированы в первую очередь на них. Поскольку температуры плавления металлов выше, чем температуры спекания полимеров, термомеханические ограничения в деталях из SLM / DMLS являются наиболее важными.
EBM: EBM - это более новая технология 3D-печати металлом по сравнению с SLM / DMLS, и только несколько программных пакетов предоставляют решения для нее. Моделирование в EBM может помочь идентифицировать области накопления тепла, генерируемые электронным пучком.
FDM: Основная проблема с FDM - это коробление , которое возникает из-за дифференциального охлаждения экструдированного термопластического материала. Моделирование может проверить, нужно ли модернизировать деталь или нужно добавить элемент для увеличения сцепления с платформой.
SLA / DLP : в SLA и DLP основная проблема заключается в скручивании , которое похоже на деформацию. На данный момент существует не так много программных решений для моделирования процесса SLA.
SLS: в SLS опорные конструкции не требуются, но в конструкции могут появиться зоны накопления тепла, что приведет к плохой гладкости поверхности или короблению. Моделирование может помочь определить эти области.
Выходы и результаты моделирования
Распределение температуры
Температурный градиент является основной причиной ошибок всех механических явлений, возникающих во время сборки.
Иногда градиент температуры можно вычислить самостоятельно, без какой-либо механической деформации. Обычно это происходит быстрее, чем полное моделирование, и решение проблем накопления тепла может одновременно решить проблемы механической деформации.
Деформация
Предполагая, что истинные механические свойства материала известны, можно рассчитать деформацию детали во время производства.
Направление деформации обычно правильное, независимо от того, какие параметры моделирования используются, но амплитуда деформации во многом зависит от размера сетки моделирования: использование более мелкой сетки даст более точные результаты, но требует больше времени для выполнения.
Перекрашивание интерференции
В технологиях порошкового слоя (таких как SLS и SLM / DMLS), если деформация по оси z превышает толщину слоя, устройство для повторного нанесения покрытия может войти в контакт с деталью, сметая ее и вызывая поломку. В некоторых пакетах моделирования вы можете определить высоту допуска повторного нанесения покрытия, и программа предупредит вас, если деформация по оси Z превысит этот порог.
Этапы постобработки
Основное внимание в пакетах для моделирования 3D-печати уделяется расчету термомеханических явлений, возникающих во время изготовления детали. Однако на более поздних этапах производственного процесса могут появиться и другие проблемы.
Во время отсоединения детали от платформы сборки или снятия опорных конструкций остаточное напряжение в процессе производства может вызвать деформацию детали. Тепловые процедуры могут помочь снять внутреннее напряжение. Некоторые пакеты моделирования позволяют моделировать эти этапы постобработки и помогают оценить необходимость (или даже эффективность) термообработки.
Список программного обеспечения для моделирования
Дискретность
Первый шаг хорошего моделирования - это правильная дискретизация объема детали.
В отличие от обычного механического моделирования, которое использует конформную сетку с тетраэдрами, большинство программ для моделирования 3D-печати используют вокселизацию. 3D-объем детали представлен маленькими кубиками (или вокселями), аналогично тому, как 2D-изображение на мониторе ПК представляется квадратными пикселями. Использование большего количества элементов сетки дает более точные результаты, но также значительно увеличивает время моделирования. Ключевым моментом является поиск правильного баланса.
Для начального моделирования может быть интересно запустить первое грубое моделирование с большими вокселями, чтобы получить «быстрые и неточные» результаты. Такое моделирование должно позволить вам в считанные секунды или минуты получить основные области деформации вашей детали. Это может помочь вам решить, нужна ли более точная симуляция (с меньшими вокселями).
Материал и параметры печати
После дискретизации детали необходимо выбрать свойства материала. Определение свойств материала, вероятно, является наиболее важным шагом в процессе моделирования, поскольку неточные данные приведут к неверным результатам моделирования.
Каждое программное обеспечение для моделирования позволяет изменять или создавать собственные материалы для создания наиболее точных моделей. Для этого требуются экспертные знания в области материаловедения.
Калибровка
Некоторое программное обеспечение для моделирования позволяет откалибровать свойства материала на основе испытательных образцов, напечатанных на определенном материале и на определенной машине. Таким образом определяются более точные свойства материала, что приводит к более точным результатам моделирования.
Ключевые шаги для успешного моделирования
Существует два типа программного обеспечения для моделирования: облачные решатели и локальные решатели.
Облачные решатели обычно быстрее, чем локальные решатели, поскольку они не ограничены вычислительными возможностями вашего компьютера. Однако некоторые компании неохотно используют облачные решатели из-за проблем с конфиденциальностью, поскольку данные, отправляемые через Интернет, могут быть более легко скомпрометированы. Для большинства приложений это не проблема.
Вот список некоторых из самых популярных программ для моделирования 3D-печати:
Программное обеспечение |
Тип |
Поддерживаемые процессы |
Амфион |
Локальный |
SLM / DMLS |
Comsol |
Локальный |
SLM / DMLS, SLS, FDM |
ESI |
Локальный |
SLM / DMLS |
exaSIM |
Облачный |
SLM / DMLS |
Netfabb |
Локальный и облачный |
SLM / DMLS |
Simufact |
Локальный |
SLM / DMLS, EBM |
GeonX |
Локальный |
SLM / DMLS |
EX Digimat-AM |
Местный |
SLS, FDM |
Правила основанные на опыте
- Выполните моделирование перед созданием опор, чтобы улучшить геометрию детали и облегчить проектирование опор.
- Проведите симуляцию после создания поддержки, чтобы проверить точность и проверить наличие помех, возникающих при повторном нанесении покрытия.
- Сначала запустите быстрое моделирование с большими вокселями, чтобы определить области большей деформации. Затем уточните сетку, чтобы повысить точность результатов.
- Моделируйте температуру без механического разрешения, чтобы сэкономить время, поскольку решение проблем накопления тепла также может решить проблемы механической деформации.
Предпочитайте облачное программное обеспечение для моделирования для более высокой производительности, но при необходимости используйте локальные решатели для соблюдения политик конфиденциальности.