Моделирование аддитивных технологий: как спрогнозировать деформации до печати

Аддитивное производство позволяет создавать металлические детали сложной формы, которые трудно или невозможно изготовить традиционными методами. Но при промышленной 3D-печати металлом важно учитывать не только геометрию изделия, материал и настройки оборудования. В процессе послойного выращивания деталь нагревается, охлаждается, усаживается и может менять форму.

В результате изделие после печати может отличаться от исходной CAD-модели: появляются деформации, коробление, остаточные напряжения, отклонения от допуска или проблемы после снятия с платформы и удаления поддержек. Чтобы снизить такие риски, применяется моделирование аддитивных технологий — расчетный анализ поведения детали до запуска реального производства.

ПЛМ Урал развивает SIMMAX-ADDITIVE — российское ПО для моделирования аддитивных процессов производства. Решение помогает инженерам и технологам прогнозировать деформации при 3D-печати, механическую усадку, влияние поддержек и конечную геометрию изделия еще до запуска построения.

Зачем нужно моделирование аддитивных технологий

В аддитивном производстве деталь формируется слой за слоем. Каждый слой связан с локальным нагревом, охлаждением и изменением напряженно-деформированного состояния материала. Даже если исходная 3D-модель подготовлена корректно, итоговое изделие может повести из-за тепловых и механических эффектов.

Моделирование аддитивных технологий помогает заранее ответить на практические вопросы:

• где деталь может деформироваться;
• как проявится механическая усадка;
• какие зоны выйдут из допуска;
• как повлияет ориентация детали на платформе;
• достаточно ли поддержек при 3D-печати;
• где могут возникнуть остаточные напряжения;
• как изменится форма после снятия с платформы;
• нужно ли менять технологическую подготовку до запуска печати.

Без расчетного анализа предприятие часто вынуждено идти методом проб и ошибок: напечатать деталь, измерить отклонения, скорректировать ориентацию или поддержки, затем повторить построение. Для металлической 3D-печати такой подход может быть дорогим из-за стоимости материала, времени оборудования, постобработки и контроля качества.

Почему возникают деформации при 3D-печати

Деформации при 3D-печати возникают из-за неравномерного нагрева и охлаждения материала. В металлическом аддитивном производстве источник энергии локально нагревает материал, после чего участок быстро охлаждается. Следующие слои снова нагревают уже сформированную часть детали, и процесс повторяется многократно.

На деформации влияют:

• геометрия изделия;
• толщина стенок;
• массивные и тонкие участки;
• материал;
• ориентация детали на платформе;
• параметры выращивания;
• стратегия построения;
• количество и расположение поддержек;
• условия теплоотвода;
• закрепление детали на платформе;
• снятие детали после печати.

Особенно чувствительны к деформациям детали с тонкими стенками, длинными консолями, нависающими элементами, сложными внутренними каналами, решетчатыми структурами и несимметричной геометрией. В таких случаях моделирование аддитивных процессов позволяет заранее оценить риск коробления и подобрать более устойчивый сценарий выращивания.

Что такое механическая усадка

Механическая усадка — это изменение размеров и формы изделия, связанное с охлаждением и внутренними деформациями материала после локального нагрева. В аддитивном производстве усадка проявляется не одномоментно, а постепенно, по мере формирования слоев и изменения теплового состояния детали.

Механическая усадка может приводить к:

• отклонению конечной геометрии от CAD-модели;
• короблению;
• смещению тонких элементов;
• изменению формы после снятия с платформы;
• росту внутренних напряжений;
• проблемам при сборке или последующей механообработке.

При проектировании аддитивного процесса важно понимать, где усадка будет наиболее выраженной и как она повлияет на итоговую форму изделия. SIMMAX-ADDITIVE помогает оценивать такие эффекты расчетно, чтобы технолог мог заранее изменить ориентацию детали, поддержки или параметры построения.

Как поддержки влияют на деформации

Поддержки при 3D-печати выполняют несколько функций. Они удерживают нависающие участки, связывают деталь с платформой, помогают отводить тепло и ограничивают деформации в процессе построения. Но поддержки также влияют на напряженное состояние и конечную геометрию изделия.

Если поддержек недостаточно, возможны:

• отрыв участков детали;
• усиление коробления;
• потеря геометрической точности;
• неустойчивость детали в процессе печати;
• повышенный риск брака.

Если поддержек слишком много, возникают другие проблемы:

• увеличивается расход материала;
• растет время построения;
• усложняется удаление поддержек;
• повышается трудоемкость постобработки;
• могут появляться локальные дефекты после удаления поддержек.

Поэтому задача технолога — найти баланс: поддержки должны стабилизировать деталь, но не создавать лишнюю технологическую нагрузку. Моделирование аддитивных процессов помогает сравнивать варианты поддержек и оценивать, как они влияют на деформации, механическую усадку и конечную геометрию изделия.

Что показывает моделирование аддитивных процессов

Моделирование аддитивных процессов позволяет получить расчетную картину поведения детали до запуска печати. В отличие от обычной подготовки управляющей программы, инженерное моделирование показывает не только траекторию построения, но и физические последствия выбранной технологии.

С помощью SIMMAX-ADDITIVE можно анализировать:

• виртуальное выращивание изделия;
• механическую усадку;
• деформации при 3D-печати;
• изменение формы по слоям;
• влияние ориентации детали;
• влияние поддержек;
• риск выхода из допуска;
• конечную геометрию изделия;
• зоны повышенного напряженного состояния;
• влияние технологической подготовки на результат.

Такой расчет позволяет принять решение до запуска производства: оставить текущий вариант, изменить ориентацию, доработать поддержки, скорректировать параметры процесса или предусмотреть компенсацию деформаций.

Как спрогнозировать деформации до печати

Чтобы спрогнозировать деформации до печати, нужно построить расчетную модель аддитивного процесса. Она должна учитывать не только геометрию детали, но и технологические условия выращивания.

Обычно процесс включает несколько этапов.

1. Подготовка геометрии

На первом этапе используется CAD-модель изделия. При необходимости геометрию готовят к расчету: упрощают несущественные элементы, проверяют корректность модели, определяют ориентацию детали и область построения.

2. Задание материала

Для расчета нужны свойства материала. Важно учитывать, что при металлической 3D-печати материал работает в условиях нагрева, охлаждения и изменения механического состояния. Чем точнее заданы свойства, тем полезнее прогноз.

3. Описание технологии выращивания

Задаются параметры процесса: технология печати, параметры построения, послойное формирование, ориентация детали, условия закрепления и другие технологические данные.

4. Учет поддержек

В расчет включаются поддерживающие структуры. Они влияют на жесткость системы, теплоотвод, деформации и поведение детали после удаления ограничений.

5. Расчет поведения детали

Программа моделирует, как изделие меняет форму в процессе построения и после завершения печати. В результате можно увидеть зоны деформаций, механической усадки и потенциального выхода из допуска.

6. Анализ результата и корректировка технологии

По итогам расчета технолог может изменить ориентацию детали, поддержки, параметры процесса или геометрию компенсации. Затем можно повторно проверить новый вариант расчетно, не расходуя материал и машинное время.

SIMMAX-ADDITIVE для прогнозирования деформаций

SIMMAX-ADDITIVE — российское ПО для моделирования аддитивных технологий, разработанное ПЛМ Урал. Программа предназначена для инженерного анализа поведения выращиваемого изделия до начала изготовления.

SIMMAX-ADDITIVE помогает прогнозировать:

• механическую усадку;
• деформации при 3D-печати;
• поведение детали по слоям;
• изменение конечной геометрии;
• влияние ориентации изделия;
• влияние поддержек;
• зоны риска;
• последствия выбранной технологической подготовки.

Для предприятия это означает возможность перейти от экспериментального подбора технологии к расчетному подходу. Вместо нескольких пробных построений можно заранее сравнить варианты и выбрать тот, который снижает риск брака и отклонений.

Российское ПО для импортозамещения в аддитивном производстве

Для российских промышленных предприятий вопрос импортозамещения инженерного ПО остается важным. В аддитивном производстве недостаточно иметь оборудование и материал — нужно также уметь прогнозировать результат процесса. Без этого предприятие зависит от пробных построений, внешних программных решений и опыта отдельных специалистов.

SIMMAX-ADDITIVE — российская разработка ПЛМ Урал для моделирования аддитивных процессов. Решение помогает предприятиям развивать собственные расчетные компетенции и снижать зависимость от зарубежного программного обеспечения.

Использование российского ПО для анализа аддитивных технологий позволяет:

• выполнять инженерный анализ внутри предприятия;
• снижать риск брака до запуска печати;
• развивать собственную технологическую экспертизу;
• поддерживать задачи импортозамещения;
• повышать предсказуемость металлической 3D-печати;
• использовать расчетные данные для принятия инженерных решений.

SIMMAX-ADDITIVE входит в линейку SIMMAX Solutions, где также представлены решения для моделирования сварки и термообработки.

Какие исходные данные нужны для расчета

Для моделирования аддитивных процессов нужны данные о детали, материале и технологии выращивания.

Обычно требуются:

• CAD-модель изделия;
• материал детали;
• технология аддитивного производства;
• ориентация изделия на платформе;
• параметры процесса;
• данные о слоях;
• параметры поддержек;
• условия закрепления;
• требования к конечной геометрии;
• интересующие результаты: деформации, усадка, напряжения, зоны риска.

Если часть данных отсутствует, расчет можно начать с предварительной постановки и допущений. Специалисты ПЛМ Урал помогают определить, какие параметры критичны, а какие можно уточнять по мере детализации проекта.

Как использовать результаты моделирования

Результаты моделирования аддитивных технологий полезны не только расчетчикам, но и технологам, конструкторам и руководителям производства.

На основе расчета можно:

• изменить ориентацию детали;
• переработать поддержки;
• оценить риск выхода из допуска;
• предусмотреть компенсацию деформаций;
• изменить параметры выращивания;
• оценить целесообразность печати выбранной геометрии;
• снизить количество пробных построений;
• подготовить более устойчивый технологический маршрут.

Для ответственных металлических деталей такой подход особенно важен: цена неудачной печати может быть высокой, а исправить ошибку после построения часто сложнее, чем предотвратить ее на этапе подготовки.

Когда предприятию стоит применять моделирование аддитивных технологий

Моделирование аддитивных технологий особенно полезно, если предприятие работает с металлической 3D-печатью и сталкивается с требованиями к точности, повторяемости и надежности изделий.

Расчетный подход стоит применять, если:

• деталь сложная и дорогая в изготовлении;
• есть риск деформаций при 3D-печати;
• требуется точная конечная геометрия;
• изделие имеет тонкие стенки или нависающие элементы;
• важна оптимизация поддержек;
• нужно сократить количество пробных построений;
• возникают проблемы после снятия с платформы;
• требуется повысить повторяемость процесса;
• предприятие внедряет российское ПО для моделирования аддитивных процессов.

Если задача единичная, можно начать с пилотного анализа. Если предприятие регулярно использует аддитивное производство, моделирование может стать частью стандартной технологической подготовки.

Связанные материалы

Если вы выбираете программное решение для технологического анализа, рекомендуем также материал «ПО для анализа аддитивки: как выбрать программу для моделирования 3D-печати металлом».

Для более глубокого понимания проблемы остаточных напряжений можно изучить статью «Остаточные напряжения в аддитивном производстве: причины, расчет и способы снижения».

Частые вопросы

Что такое моделирование аддитивных технологий?

Моделирование аддитивных технологий — это расчетный анализ процесса послойного выращивания изделия до реальной печати. Он помогает прогнозировать деформации, механическую усадку, влияние поддержек и конечную геометрию детали.

Зачем прогнозировать деформации при 3D-печати?

Прогноз деформаций помогает заранее понять, выйдет ли изделие из допуска, где возникнет коробление и как изменить технологическую подготовку до запуска печати.

Что такое механическая усадка?

Механическая усадка — это изменение размеров и формы изделия из-за нагрева, охлаждения и внутренних деформаций материала в процессе аддитивного производства.

Как поддержки при 3D-печати влияют на результат?

Поддержки удерживают деталь, ограничивают деформации и помогают отводить тепло. Но их количество, расположение и жесткость могут как улучшить, так и ухудшить конечную геометрию изделия.

Чем полезен SIMMAX-ADDITIVE?

SIMMAX-ADDITIVE помогает моделировать аддитивные процессы, прогнозировать деформации, механическую усадку, влияние поддержек и поведение детали до запуска печати.

Вывод

Моделирование аддитивных технологий позволяет заранее оценить то, что часто становится проблемой уже после печати: деформации, механическую усадку, влияние поддержек и отклонение конечной геометрии от исходной CAD-модели.

SIMMAX-ADDITIVE — российское ПО для моделирования аддитивных процессов производства, разработанное ПЛМ Урал. Решение помогает инженерам и технологам прогнозировать поведение изделия до запуска печати, снижать риск брака и развивать расчетный подход в рамках импортозамещения инженерного ПО.

Подробнее о продукте можно узнать на странице SIMMAX-ADDITIVE.