Моделирование аддитивного производства

Моделирование 3D-печати металлами методом селективного послойного лазерного плавления — технология, которая стала доступной всего несколько лет назад, но сейчас ее развитием в том или ином виде занимаются практически все компании, работающие на рынке инжинирингового программного обеспечения:

Система Amphyon, рассматриваемая в рамках данного материала, разрабатывается немецкой компанией Additive Works. Своей целью разработчики считают создание программной системы, которая может помочь автоматизировать процесс получения качественных деталей с использованием аддитивных технологий. В этом материале описан ряд особенностей Amphyon и процесса моделирования аддитивного производства в целом.

Результат печати зависит от детали

Аналогично тому, как в случае топологической оптимизации результат оптимизации зависит от условий нагружения и требований к изделию, в случае 3D-печати результат печати зависит от ряда параметров процесса. Но если в случае оптимизации эта зависимость позволяет получать результат, в точности соответствующий требованиям, то в случае аддитивного производства зависимость носит иной характер и, наоборот, делает результат печати в меньшей степени прогнозируемым.

Причина данного явления состоит в том, что аддитивное производство с использованием металлических порошков — это достаточно быстро протекающий процесс, который характеризуется большими перепадами температур, значительными тепловыми потоками и другими связанными явлениями. Эта особенность приводит к тому, что поле температур и его изменения могут значительно зависеть от того, какие детали расположены внутри камеры принтера и как именно они в ней расположены, впоследствии оказывая влияние на результаты печати, то есть форму и качество получаемых изделий.

На данный момент единственным инструментом, позволяющим минимизировать влияние подобных негативных эффектов на результат печати, является моделирование аддитивного производства, о котором идет разговор в данном модуле. Отработанные численные алгоритмы и методы калибровки дают возможность повторить в расчете условия и процессы, протекающие в камере принтера, и на основе полученных данных скорректировать геометрию печатаемых изделий таким образом, чтобы результат печати совпадал с желаемым.

Моделирование аддитивного производства
в Additive Works Amphyon

В Additive Works Amphyon процесс моделирования аддитивного производства металлами и коррекции геометрии состоит из ряда шагов.

Геометрия детали, подготовленная во внешней CAD-системе, импортируется в формате STL, широко применяемом в аддитивном производстве. Деталь может быть импортирована как в положении, в котором ее предполагается разместить в принтере, так и в любом другом. В первом случае работу можно продолжить, не меняя положение, во втором возможны два варианта действий:

Идея шага заключается в том, что процесс подбора «оптимального» расположения объекта на платформе с применением программной системы можно выполнить намного быстрее, эффективнее и точнее, чем это можно сделать вручную. В качестве результата перебора вариантов расположения детали Amphyon предлагает пользователю набор полей, которые показывают, насколько удачными будут различные положения объекта в пространстве в соответствии с набором критериев. Также система предлагает некое «оптимальное» расположение, исходя из заданных настроек. Несмотря на наличие такого расположения, финальный выбор остается за пользователем.

Ввиду того, что задача поиска наилучшего расположения объекта на платформе является многокритериальной, под «оптимальным» расположением в данном случае подразумевается все-таки некое квазиоптимальное решение, т. к. абсолютный идеал в данном случае получить не удастся.

Поддерживающие структуры в большинстве случаев являются неотъемлемым элементом процесса печати. Они могут быть построены как во внешних программных системах, так и непосредственно в Amphyon. Отличительной особенностью поддержек, построенных в автоматическом режиме с использованием данной программной системы, является то, что их геометрия оптимизируется с точки зрения прочности и отвода тепла, обеспечивая лучшие значения этих параметров в сочетании со снижением количества требуемого для их построения материала.

На основе данных о геометрии детали и поддержках, а также используемых материалах 3D-принтера и режиме печати можно выполнить послойное моделирование процесса селективного лазерного плавления материала. Получаемые в ходе расчета данные о перемещениях в конструкции используются для построения «деформированной» геометрии изделия, по которой может быть высчитан «предеформированный» вариант. При печати именно такой формы изделия в результате удастся получить целевую геометрию изделия.

Важно отметить, что логика процесса моделирования и подготовки к нему в различных системах достаточно близка. Тестовая лицензия на программную систему Amphyon доступна для запроса по адресу, приведенному в конце лонгрида.

Математическая база

Моделирование 3D-печати на основе селективного лазерного плавления металлических порошков — это фактически два вида расчетов:

Данные расчеты связаны односторонне, то есть предполагается, что тепловые эффекты оказывают влияние на механическое поведение печатаемых деталей, но обратное влияние считается незначительным. В основе технологии лежит решение системы дифференциальных уравнений в частных производных.

Amphyon базирует расчеты на идеально пластической модели материала. Безусловно, данная модель описывает поведение металлов достаточно консервативно, однако она не требует большого количества параметров, и проведенная серия испытаний показала, что модель позволяет достичь хорошего уровня совпадения с реальностью.

Калибровка

В связи с тем, что на данный момент 3D-печать металлами зачастую не является абсолютно отлаженным процессом, наиболее эффективным способом уточнения результатов моделирования является калибровка расчетных алгоритмов на тестовых образцах. Данный подход применяется как в Amphyon, так и в абсолютном большинстве других систем и строится на том, что для уточнения параметров расчетной модели для каждой пары «принтер + материал» необходимо выполнить тестовую печать нескольких деталей, провести ряд измерений и внести их результаты в Amphyon. Для калибровки предлагается использовать образцы двух или трех типов, отличающиеся между собой стратегией сканирования, примененной при их построении.

Виды калибровочных образцов

После печати образцы необходимо срезать от края до центральной ножки и провести измерения отклонений в соответствии с описанной разработчиком схемой.

Полученные значения вводятся в соответствующие поля в Amphyon и используются программной системой для уточнения параметров расчетного алгоритма.

материалы