Использование 3D-печати в промышленности — это технологии будущего, которое на наших глазах становится настоящим. Если раньше мировой рынок аддитивных технологий был в основном сосредоточен на прототипировании и быстром создании оснастки, то теперь происходит внедрение технологий быстрого проектирования и создания точных деталей методом 3D-печати для их массового производства. Это быстро растущее и перспективное направление. Ключевые отрасли применения аддитивных технологий — выпуск товаров народного потребления, производство двигателей, медицина, автомобилестроение, а также аэрокосмос.
3D-принтеры позволяют создавать детали, которые невозможно изготовить другими способами. К плюсам аддитивных технологий следует также отнести возможность создания сложных сборок без необходимости соединять друг с другом множество частей. Преимущества аддитивного производства достигаются благодаря возможности создания более легких деталей из меньшего количества материала, с меньшим количеством отходов и меньшими затратами энергии. Кроме того, отсутствует необходимость в дополнительном оборудовании.
Несмотря на безусловные достоинства этой технологии, существующие промышленные системы 3D-печати имеют и явные недостатки. В первую очередь это коробление детали при печати, что становится причиной искажения ее формы и превышения допусков на размеры. Кроме того, в процессе печати в детали могут возникать большие напряжения и деформации, следствием которых становятся трещины, отрыв поддержек и другие проблемы вплоть до разрушения детали непосредственно в процессе производства. Есть вопросы к качеству поверхности деталей (в том числе по наличию дефектов и пор), невысока производительность процесса — печать может продолжаться десятки часов. Существуют проблемы, связанные с воспроизводимостью процесса, прочностью и долговечностью напечатанных деталей. Кроме того, надо принимать во внимание множество факторов, влияющих на результат, небольшой опыт практического использования, а также высокую стоимость порошков и самих промышленных 3D-принтеров.
Тем не менее, многие из этих недостатков могут быть нивелированы при использовании компьютерного моделирования, которое позволяет быстро и с малыми затратами проводить виртуальную отработку технологических процессов. Комбинация расчетных и экспериментальных методов позволяет расширить область применения аддитивных технологий в промышленности. В первую очередь это быстрое создание опытных образцов и производство деталей малыми партиями, а также производство деталей сложной формы, которые невозможно изготовить другими способами
Исследование различных вариантов технологического процесса только на реальном оборудовании имеет ряд недостатков. Это невозможность варьировать параметры принтера в широком диапазоне, большой расход времени и энергии. Как результат, оптимизация существующих производственных процессов и внедрение в производство новых видов продукции оказываются очень затратными.
Серьезно сократить объем необходимых вложений помогает компьютерное моделирование. Этот подход позволяет численно смоделировать нужный процесс и подобрать оптимальные параметры еще на этапе проектирования изделия.
Для моделирования технологических процессов наиболее эффективно специализированное программное обеспечение. Корпорация предлагает пакет , предназначенный для моделирования аддитивных технологий методом расплавления материала в заранее сформированном слое (Powder Bed Fusion), включая процессы селективного лазерного плавления (SLM) и электронно-лучевого плавления (EBM).
позволяет выполнять проработку и оптимизацию технологического процесса печати на 3D-принтерах. Этот пакет дает возможность вычислять деформации в детали, а также определять ее состояние после термической обработки, удаления опорной пластины и поддерживающей структуры. Таким образом, используя компьютерное моделирование, можно до начала реального изготовления изделия подобрать оптимальное направление печати и оптимизировать форму поддерживающей структуры. Кроме того, мы можем минимизировать деформации и остаточные напряжения в детали, уменьшить искажение ее формы (или вообще избежать такого искажения), а следовательно с первой же попытки производить детали с требуемой точностью. Дальнейшее развитие расчетных технологий в Simufact Additive позволит моделировать процессы еще более углубленно, прогнозируя механические свойства материала после печати, его плотность, наличие пор, шероховатость поверхности, непровар и другие особенности.
В настоящее время в реализованы различные подходы для компьютерного моделирования технологий 3D-печати. Можно выполнить полносвязанный тепло-прочностной расчет или же только тепловой либо прочностной расчет.
Наиболее быстрым и эффективным является последний вариант. Моделируется послойное выращивание детали с использованием воксельной конечно-элементной (КЭ) сетки. Для расчета короблений, напряжений и деформаций используется метод собственных деформаций (Inherent strains). Его особенность заключена в том, что при создании каждого слоя КЭ в расчетной модели добавляются элементы с уже заложенными в них собственными деформациями. Метод является полуаналитическим и требует проведения калибровки, в ходе которой выполняется печать на 3D-принтере консольных балок, их частичная обрезка от опорной пластины, а затем измерение вертикальных перемещений на концах балок. Замеренные перемещения заносятся в и по этим данным производится калибровка Inherent strains.
Использование в метода собственных деформаций позволяет сократить время моделирования процесса 3D-печати до нескольких десятков минут. По ряду задач для расчета требуется меньше 10 минут! Таким образом, существует возможность оперативно исследовать влияние различных параметров 3D-принтера на коробление детали. Это могут быть различные настройки самого принтера, ориентация детали в принтере (вертикальная, горизонтальная, под различным наклоном), направление и параметры обрезки детали от опорной пластины и последовательность удаления поддерживающих структур, конфигурация и свойства поддерживающей структуры с учетом ее анизотропии и различной плотности.
Эффективным способом применения является моделирование с использованием приема компенсации искажений формы. На первом этапе моделируется процесс печати исходной идеальной модели. В результате получается деталь со значительными отклонениями от идеальной формы из-за деформаций, появившихся в процессе 3D-печати. Далее производится экспорт искаженной формы детали, но с отклонениями в противоположную сторону (с множителем «минус один» по деформациям). На втором этапе моделируется процесс печати этой измененной модели и получается изделие с практически идеальной формой.
В заключение хотелось бы отметить основные преимущества пакета :
Компьютерное моделирование в охватывает всю производственную цепочку вплоть до конечного результата, а не один только процесс 3D-печати.
Пакет базируется на современных и надежных технологиях, используя в качестве решателя Marc — лидирующую систему компьютерного инженерного анализа нелинейных процессов.
Корпорация установила партнерские отношения с производителем 3D-принтеров, компанией Renishaw, поддерживает постоянные контакты с ведущими немецкими производителями 3D-принтеров.
Партнерство с компанией MRL (Material Resources Ltd.) предоставит возможность прогнозировать микроструктуру материалов.
Партнерство с компанией Materialize (Materialise Magics) расширит способы создания
эффективных поддерживающих структур.
© 2024 ООО "Мегасофт"
