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.

Деталь велосипеда, созданная методом 3D-печати (материал — титан)

Проблемы при 3D-печати тонкостенных конструкций: овальность, потеря устойчивости, коробление и трещины

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.

Расчетная модель со специальной воксельной сеткой

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 MSC Software предлагает пакет Simufact Additive, 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).

Simufact Additive 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.

Место Simufact Additive в цепочке технологий MSC Software

Компьютерное моделирование промышленных аддитивных технологий хорошо интегрируется с общей линейкой технологий MSC Software. Процесс проектирования может начинаться с топологической оптимизации в MSC Nastran — пользователь получит форму детали, оптимальную с точки зрения прочности. При этом нет необходимости учитывать ограничения, накладываемые традиционными способами производства. Затем в пакете Simufact Additive моделируется сам процесс 3D-печати металлической детали. После этого можно промоделировать процесс термообработки, необходимой для снятия внутренних напряжений. Следующим этапом моделируются обрезка и удаление опорной пластины, удаление поддерживающей структуры. При необходимости моделируется процесс горячего изостатического прессования (HIP). Результаты могут на любой стадии передаваться в другие пакеты MSC Software: например, в пакет Marc, чтобы выполнить анализ прочности с учетом остаточных деформаций в детали, и в MSC Fatigue — чтобы спрогнозировать долговечность.

По результатам расчета можно в любой момент и на любом этапе определить коробление, напряжения и деформации в любой точке и в любом сечении детали.

Коробление детали, рассчитанное методом Inherent strains

В настоящее время в Simufact Additive 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 Simufact Additive и по этим данным производится калибровка Inherent strains.

Использование в Simufact Additive 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.

Значительные отклонения формы полученного изделия от идеальной (первый этап моделирования)

Результат моделирования с использованием приема компенсации искажений формы (в результате получается практически идеальная форма изделия)

Эффективным способом применения Simufact Additive 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 Simufact Additive:

• новая концепция интуитивно понятного, легкого в изучении и использовании графического интерфейса позволяет освоить пакет менее чем за один день;
• быстрое проведение расчетов на настольных компьютерах и даже на ноутбуках не требует облачных решений и обеспечивает безопасность работы, что особенно актуально для оборонной отрасли, а также для автомобилестроения и аэрокосмоса;
• отсутствует необходимость в специальном оборудовании, таком как графические карты, кластеры и т.д.: пакет работает на обычных компьютерах;
• Simufact Additive — масштабируемое решение, позволяющее выбирать между быстрым расчетом для решения основных проблем и подробным исследованием для глубокого изучения задачи;
• воксельные КЭ-сетки (включая КЭ-сетку на поддерживающей структуре) быстро создаются на деталях любой сложности;
• поддерживаются возможность генерации различных вариантов поддерживающей структуры и учет ее анизотропных свойств.

Компьютерное моделирование в Simufact Additive 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 MSC Software 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.