Симуляции в 3D-печати: повышение качества и точности

О преимуществах и современном состоянии симуляций 3D-печати. Почему, что и как симулировать, советы для старта.

Введение

Симуляция производственного процесса постепенно становится частью воркфлоу 3D-печати. Симуляции помогают понять и визуализировать сложные термо-механические явления при производстве, что ведет к производству высококачественных, высокоточных деталей.

Это особенно важно для высокоценных компонентов, изготавливаемых передовой 3D-печатью, где итерации дизайна (брак) очень дороги по материалу и времени.

Симуляции процесса 3D-печати не путать с обычными механическими FEA-симуляциями: последние оценивают механическую производительность детали под нагрузками, деформацией, температурой и т.д., связанными с её функцией; первые предсказывают результат производственного процесса 3D-печати слой-за-слоем под заданными параметрами процесса.

В статье сначала — основные выгоды симуляции для каждого процесса 3D-печати, затем — детали успешного запуска симуляции и практические советы для старта.

Зачем использовать симуляции в 3D-печати?

Симуляция процесса 3D-печати очень ценна, потому что помогает:

• Избежать провалов печати и брака по геометрическим причинам, экономя время и снижая общую стоимость.

• Оценить риски производства и указать на снижение вероятности отказа.

• Понять физику производственного процесса.

• Предсказать микроструктурные характеристики итоговой детали.

• Оптимизировать производство для ускорения печати, сокращения пост-обработки или повышения точности за счет уменьшения деформации детали и поддержек.

Симуляцию можно запускать до или после генерации поддержек:

• До генерации поддержек: результаты выявляют критические зоны значительной деформации или внутренних напряжений при производстве. Дизайнер может добавить адаптированные поддержки для минимизации деформации, сменить ориентацию печати для изменения зон накопления тепла или изменить геометрию 3D-модели для улучшения качества результата.

• После генерации поддержек: симуляции помогают минимизировать риск производственного отказа (например, из-за интерференции рекоутера), гарантировать, что размеры итоговой детали в заданном диапазоне допусков, и оценить влияние разных параметров печати (например, сравнение параметров, оптимизированных для производительности vs точности).

В обоих случаях симуляции помогают снизить риски дорогого производства и повысить производительность крупносерийной 3D-печати, экономя недели производственного времени и тысячи долларов на разработке и производстве.

Какие процессы 3D-печати симулировать?

Симуляции наиболее релевантны для высокоценной и высокоточной 3D-печати. Более того, популярные современные пакеты симуляции 3D-печати базируются на солверах симуляции сварки металлов. Поэтому симуляции чаще используют с металлической 3D-печатью.

Однако все основные процессы 3D-печати можно симулировать, и вот почему:

• SLM/DMLS: старейшие и зрелые технологии металлической 3D-печати, многие софты фокусируются на них. Температуры плавления металлов выше полимерных спеканий — термо-механические ограничения в SLM/DMLS наиболее критичны.

• EBM: более новая металлическая технология vs SLM/DMLS, мало софтов поддерживают. Симуляции в EBM помогают выявить зоны накопления тепла от электронного пучка.

• FDM: главная проблема — варпинг из-за дифференциального охлаждения экструдированного термопласта. Симуляция помогает проверить, нужен ли редизайн детали или брим для улучшения адгезии к столу.

• SLA/DLP: главная проблема — кёрлинг, похожий на варпинг. Пока мало софта для симуляции SLA.

• SLS: поддержки не нужны, но в сборке могут появляться зоны термического накопления, дающие плохую гладкость или варпинг. Симуляция помогает выявить эти зоны.

Результаты и выходы симуляции

Распределение температуры

Градиент температуры — корневая причина всех механических явлений при сборке.

Градиент температуры иногда вычисляют отдельно, без механической деформации. Обычно быстрее полной симуляции, и решение проблем накопления тепа может одновременно решить проблемы механической деформации.

Распределение градиента температуры дискретизированной модели (SLM/DMLS) в Netfabb. Curtesy Poly-Shape.

Деформация

При известных истинных механических свойствах материала можно рассчитать деформацию детали при производстве.

Направление деформации обычно верно при любых параметрах симуляции, но амплитуда деформации сильно зависит от размера сетки симуляции: более мелкая сетка дает точнее результаты, но требует больше времени.

Векторы деформации модели (SLM/DMLS) в Netfabb. Curtesy Poly-Shape.

Интерференция рекоутера

В порошковых технологиях (SLS, SLM/DMLS), если деформация по Z превышает толщину слоя, рекоутер может задеть деталь, сбив её и вызвав отказ. В некоторых пакетах можно задать допуск высоты рекоутера — софт предупредит, если деформация по Z превысит порог.

Пост-обработка

Фокус пакетов симуляции 3D-печати — термо-механические явления при фабрикации детали. Но проблемы могут появиться и на поздних этапах.

При отделке детали от стола или удалении поддержек остаточные напряжения от производства могут вызвать деформацию. Тепловая обработка помогает снять внутренние напряжения. Некоторые пакеты позволяют симулировать эти пост-этапы и оценить, нужна ли термообработка (и эффективна ли она).

Список симуляционного софта

Дискретизация

Первый шаг хорошей симуляции — корректная дискретизация объема детали.

В отличие от обычной механической симуляции с конформной сеткой тетраэдров, большинство софта для симуляции 3D-печати использует вокселизацию. 3D-объем детали представляется маленькими кубами (вокселями), как 2D-изображение на мониторе — квадратными пикселями. Больше элементов сетки — точнее результаты, но значительно дольше симуляция. Ключ — баланс.

Для первичной симуляции полезно запустить быструю грубую симуляцию с крупными вокселями для «quick and dirty» результатов. За секунды/минуты получите основные зоны деформации. Это дешево и помогает решить, нужна ли точная симуляция с мелкими вокселями.

Материал и параметры печати

После дискретизации нужно выбрать свойства материала. Определение свойств материала — вероятно, самый критичный шаг симуляции, так как неточные данные дадут ошибочные результаты.

Большинство вендоров дают свои библиотеки материалов — полезно для старта.

В обоих случаях они, вероятно, не идеально адаптированы для симуляций. Любой софт позволяет модифицировать или создавать свои материалы для максимально точных симуляций. Это требует экспертных знаний материаловедения и не рекомендуется новичкам.

Калибровка

Некоторые пакеты позволяют калибровать свойства материала на тестовых образцах, напечатанных в конкретном материале и на конкретном станке. Так идентифицируются более точные свойства, дающие более точные результаты симуляции.

Правила большого пальца

• Симулируйте до генерации поддержек для улучшения геометрии детали и помощи в дизайне поддержек.
• Симулируйте после генерации поддержек для валидации точности и проверки интерференции рекоутера.
• Сначала быстрая симуляция с крупными вокселями для выявления зон большей деформации. Затем уточните сетку для точности результатов.
• Симулируйте температуру без механического решения для экономии времени — решение накопления тепла может решить и механические проблемы.
• Предпочитайте облачный софт для скорости, но используйте локальные солверы если нужны для политики конфиденциальности.

Бонус: Скачайте бесплатно плакат Design Rules for 3D printing в высоком разрешении — actionable гайдлайны для 6 основных процессов 3D-печати.

Дополнительные ресурсы для инженеров

DFM-советы для тонкостенных деталей 3D-печати

Минимальная толщина стенок для FDM, SLA, MJF и SLS. Советы по укреплению тонких стен и предотвращению дефектов.

Что такое недолив в 3D-печати?

Причины, как исправить и как избежать в будущем.

FDM против SLA 3D-печати

Подробное сравнение технологий для выбора оптимального решения.

Самые быстрые технологии 3D-печати

Скорость — ключевой фактор. Binder jetting и DLP лидируют, SLS и FDM балансируют эффективность и сложность.

3D-печать или литье под давлением: что выбрать?

Критерии выбора, преимущества каждого метода.

3D-печать для промышленных целей

Преимущества и недостатки промышленных методов, распространенные материалы.

Что такое MJF (Multi Jet Fusion от HP)?

Принцип работы MJF и основные преимущества для прототипирования и серийного производства.

Что такое быстрое прототипирование?

Использование CAD и аддитивных технологий для ускоренной разработки деталей.

Что такое Binder Jetting 3D-печать?

Основы технологии, механика процесса, преимущества и ограничения.

Симуляции в 3D-печати

Почему, что и как симулировать, советы для начала работы.

Какой 3D-принтер лучше для прототипирования? Сравнение процессов

Оптимальные процессы для стадии прототипирования, советы по дизайну.

Что такое металлическая 3D-печать и как она работает?

Обзор SLM и DMLS, их преимущества и ограничения для инженерных компонентов.

Готовы превратить CAD-файл в кастомную деталь? Загрузите дизайн для бесплатного мгновенного расчета.

Получить расчет