Почему возникают остаточные напряжения в аддитивном производстве, как их рассчитать и снизить. SIMMAX-ADDITIVE — российское ПО для анализа аддитивки и импортозамещения.

Аддитивное производство металлических изделий дает промышленности важное преимущество: можно изготавливать детали сложной формы, сокращать количество технологических операций, снижать массу конструкции и быстрее переходить от цифровой модели к физическому изделию. Но вместе с этим аддитивные процессы создают серьезные инженерные вызовы. Один из главных — остаточные напряжения в аддитивном производстве.

При послойном выращивании металлической детали материал многократно нагревается и охлаждается. В зоне построения возникают высокие температурные градиенты, локальная усадка, неравномерные деформации и остаточные напряжения. Если их не учитывать заранее, изделие может выйти из допуска, деформироваться после снятия с платформы, получить трещины, расслоения или другие дефекты.

Поэтому современное моделирование аддитивных технологий становится важной частью технологической подготовки производства. Оно позволяет спрогнозировать поведение детали до запуска печати, сравнить варианты ориентации, поддержек и параметров процесса, а также снизить риск брака.

Для таких задач ПЛМ Урал развивает SIMMAX-ADDITIVE — российское ПО для моделирования аддитивных процессов производства, входящее в линейку SIMMAX Solutions. Это уникальная в своем роде разработка ПЛМ Урал для инженерного анализа аддитивных процессов и импортозамещения зарубежного инженерного ПО.

Почему в аддитивном производстве возникают остаточные напряжения

В классическом механическом производстве заготовка часто обрабатывается из заранее полученного материала. В аддитивном производстве изделие формируется послойно: материал локально нагревается, плавится или спекается, затем остывает, после чего поверх него формируется следующий слой. Такой процесс приводит к сложной истории температур и деформаций.

Основные причины остаточных напряжений:

• быстрый локальный нагрев материала;
• резкое охлаждение после воздействия источника энергии;
• температурные градиенты между зоной построения и уже сформированной частью детали;
• послойный характер выращивания;
• жесткая связь детали с платформой и поддержками;
• усадка материала после охлаждения;
• неоднородность теплового поля по высоте изделия;
• влияние геометрии, толщин, нависающих элементов и массивных зон.

В обзорах по металлическому аддитивному производству остаточные напряжения и деформации выделяются как одна из ключевых причин проблем с геометрической точностью, трещинами, расслоением и короблением деталей. Для процессов типа PBF/LPBF эта проблема особенно выражена из-за высокой скорости охлаждения, больших температурных градиентов и послойной природы построения.

На практике это означает: даже если CAD-модель корректна, напечатанная деталь может отличаться от расчетной геометрии. Поэтому инженерный анализ аддитивного процесса нужен до того, как изделие будет реально выращено.

Чем опасны остаточные напряжения для металлической 3D-печати

Остаточные напряжения опасны тем, что их нельзя полностью оценить только визуально. Деталь может выглядеть приемлемо после печати, но иметь внутреннее напряженно-деформированное состояние, которое проявится позже: при снятии с платформы, термообработке, механической обработке, сборке или эксплуатации.

Остаточные напряжения в аддитивном производстве могут привести к следующим последствиям:

• коробление детали во время построения;
• изменение геометрии после снятия с платформы;
• отрыв от поддержек;
• трещинообразование;
• расслоение;
• снижение прочности;
• ухудшение усталостной долговечности;
• проблемы при последующей механообработке;
• необходимость перепечатки детали;
• рост себестоимости изделия.

Русскоязычные обзоры также отмечают, что остаточные напряжения, возникающие из-за нагрева и охлаждения конструкции, могут серьезно влиять на механические и эксплуатационные свойства напечатанных деталей, а также на геометрическую точность изготовления.

Именно поэтому ПО для анализа аддитивки должно помогать не только визуализировать процесс печати, но и оценивать деформации, напряжения и конечную геометрию изделия.

Что такое моделирование аддитивных процессов

Моделирование аддитивных процессов — это расчетный анализ поведения выращиваемого изделия до фактического изготовления. Инженер задает геометрию детали, материал, параметры процесса, условия построения и поддержки, а программное обеспечение прогнозирует, как изделие будет вести себя в процессе выращивания.

В зависимости от задачи расчет может показывать:

• зоны накопления тепла;
• температурные поля;
• механическую усадку;
• деформации при 3D-печати;
• остаточные напряжения;
• риск коробления;
• изменение конечной геометрии;
• влияние поддержек;
• влияние ориентации детали;
• потенциальные зоны дефектов.

SIMMAX-ADDITIVE предназначен именно для таких задач: это программное обеспечение для решения инженерных задач аддитивного процесса и моделирования поведения выращиваемого изделия в заданных условиях до начала изготовления. Основными пользователями решения являются инженеры и технологи, которым нужно моделировать процессы аддитивного выращивания изделия до практической реализации.

Подробнее о решении можно узнать на странице SIMMAX Solutions.

SIMMAX-ADDITIVE: российское ПО для анализа аддитивки

SIMMAX-ADDITIVE — это российское ПО для аддитивных технологий, разработанное ПЛМ Урал для моделирования процессов изготовления деталей методом аддитивного производства. Оно представляет собой систему инженерного анализа для моделирования процессов изготовления деталей методом аддитивных технологий.

Для предприятий это особенно важно в контексте импортозамещения. Аддитивное производство в промышленности зависит не только от оборудования и материалов, но и от расчетных инструментов. Если компания не может заранее спрогнозировать деформации, остаточные напряжения и конечную геометрию, она вынуждена чаще идти по пути пробных построений и переделок.

SIMMAX-ADDITIVE помогает перейти от подхода «напечатали — измерили — исправили — перепечатали» к расчетному подходу:

• заранее оценить поведение изделия;
• увидеть риск деформаций;
• оценить влияние механической усадки;
• сравнить варианты технологической подготовки;
• снизить вероятность неудачного построения;
• сократить количество пробных печатей;
• повысить предсказуемость результата.

SIMMAX-ADDITIVE является уникальной российской разработкой для импортозамещения в области инженерного анализа аддитивных процессов – это первый в своем классе российский программный комплекс для моделирования аддитивных технологий.

Как расчет помогает снизить остаточные напряжения

Расчет сам по себе не убирает напряжения из детали. Его задача — показать, где, почему и насколько они могут возникнуть. После этого инженер или технолог может изменить подготовку производства.

С помощью моделирования можно оценить влияние:

• ориентации детали на платформе;
• геометрии поддержек;
• плотности и расположения поддержек;
• параметров процесса;
• стратегии построения;
• последовательности формирования зон;
• толщины и формы элементов;
• тепловых условий;
• механических ограничений;
• последующей термообработки.

Например, если расчет показывает высокую концентрацию напряжений в тонком переходе или массивной зоне, технолог может изменить ориентацию детали, добавить или переработать поддержки, скорректировать параметры построения или предусмотреть компенсацию деформаций.

На этапе моделирования можно прогнозировать дефекты, корректировать поддерживающие структуры или геометрию заготовки, а при высоких короблениях — создавать заготовку с компенсацией технологических деформаций.

Деформации при 3D-печати и конечная геометрия изделия

Остаточные напряжения тесно связаны с деформациями. Во время построения деталь может частично деформироваться, но значительные изменения часто проявляются после снятия с платформы или удаления поддержек. Это особенно важно для деталей с тонкими стенками, длинными консолями, сложными каналами, решетчатыми структурами и несимметричной геометрией.

Моделирование аддитивных технологий помогает заранее ответить на вопросы:

• где деталь может «повести»;
• какие зоны выйдут из допуска;
• как повлияет снятие с платформы;
• как изменится геометрия после удаления поддержек;
• нужно ли изменить ориентацию детали;
• требуется ли компенсация геометрии;
• насколько безопасна выбранная стратегия построения.

SIMMAX-ADDITIVE ориентирован на моделирование процессов металлического аддитивного производства, где важно прогнозировать тепловые поля, накопление тепла, коробление и остаточные напряжения.

Это делает продукт полезным не только для расчетчиков, но и для технологов аддитивного производства, которые отвечают за подготовку построения, снижение брака и стабильность процесса.

Какие исходные данные нужны для расчета аддитивного процесса

Чтобы выполнить расчет аддитивных процессов, нужно описать не только геометрию детали, но и условия ее выращивания. Чем точнее исходные данные, тем полезнее расчетный прогноз.

Обычно для моделирования нужны:

• CAD-модель детали;
• материал изделия;
• технология выращивания;
• ориентация детали на платформе;
• параметры процесса;
• стратегия построения;
• параметры поддержек;
• условия закрепления;
• температурные условия;
• требования к точности;
• интересующие результаты: деформации, напряжения, механическая усадка, конечная геометрия.

На практике постановка задачи может уточняться совместно с инженерами ПЛМ Урал. Это особенно важно, если предприятие только начинает внедрять моделирование аддитивных процессов и хочет понять, какие данные уже есть, а какие необходимо дополнительно подготовить.

Как снизить остаточные напряжения в аддитивном производстве

Методы снижения остаточных напряжений зависят от технологии, материала, геометрии и требований к изделию. Универсального решения нет, поэтому расчетный подход особенно полезен: он позволяет сравнивать варианты до запуска производства.

На практике применяются разные способы:

Изменение ориентации детали.
Иногда поворот детали на платформе снижает зоны концентрации напряжений и уменьшает риск коробления.

Оптимизация поддержек.
Поддержки должны удерживать изделие, отводить тепло и снижать деформации, но при этом не должны чрезмерно увеличивать расход материала и трудоемкость удаления.

Корректировка параметров процесса.
Скорость, мощность, стратегия сканирования, толщина слоя и другие параметры влияют на тепловую историю детали.

Компенсация геометрии.
Если расчет показывает прогнозируемое коробление, можно заранее изменить исходную геометрию, чтобы после выращивания и релаксации получить форму ближе к требуемой.

Термообработка после печати.
Снятие напряжений и другие виды термообработки могут быть частью технологического маршрута для ответственных деталей.

Изменение конструкции.
Иногда правильнее изменить саму конструкцию: убрать резкие переходы, изменить толщины, переработать массивные зоны или снизить концентрацию напряжений.

SIMMAX-ADDITIVE помогает оценивать такие решения расчетно и выбирать более устойчивый технологический вариант.

Почему расчет важен для импортозамещения

Импортозамещение в аддитивном производстве — это не только замена оборудования или материалов. Для промышленной независимости нужны собственные расчетные инструменты, которые позволяют управлять технологией, качеством и повторяемостью результата.

Если предприятие использует аддитивное производство без инженерного анализа, оно зависит от пробных построений, опыта отдельных специалистов и внешних программных инструментов. Российское ПО для анализа аддитивки позволяет формировать собственную расчетную компетенцию внутри компании.

SIMMAX-ADDITIVE решает эту задачу как российский программный продукт ПЛМ Урал. Он помогает предприятиям:

• развивать внутреннюю экспертизу в моделировании аддитивных процессов;
• снижать зависимость от зарубежного ПО;
• повышать предсказуемость металлической 3D-печати;
• уменьшать риск брака;
• использовать расчетный подход при подготовке производства;
• поддерживать задачи технологического импортозамещения.

Когда предприятию стоит внедрять SIMMAX-ADDITIVE

SIMMAX-ADDITIVE особенно полезен, если предприятие уже использует или планирует использовать металлическое аддитивное производство и сталкивается с вопросами качества, геометрической точности и стабильности процесса.

Внедрение стоит рассмотреть, если:

• детали деформируются после печати;
• возникают проблемы после снятия с платформы;
• нужно снизить количество пробных построений;
• требуется прогнозировать конечную геометрию изделия;
• необходимо оценить остаточные напряжения;
• нужно оптимизировать поддержки;
• требуется повысить повторяемость аддитивного процесса;
• предприятие переходит на российское инженерное ПО;
• важно развивать собственные расчетные компетенции.

Для ответственных изделий расчет особенно важен: цена неудачного построения может быть высокой из-за стоимости порошка, времени машины, постобработки и контроля качества.

Как ПЛМ Урал помогает с SIMMAX-ADDITIVE

ПЛМ Урал не только разрабатывает и продвигает SIMMAX-ADDITIVE, но и помогает предприятиям применять его в инженерной и технологической практике.

Мы можем помочь:

• показать возможности ПО на демонстрации;
• разобрать типовую задачу заказчика;
• оценить применимость моделирования к конкретному процессу;
• помочь с постановкой расчетной задачи;
• обучить специалистов работе с SIMMAX-ADDITIVE;
• сопровождать внедрение российского ПО в рабочий процесс;
• связать моделирование аддитивного производства с другими задачами технологического анализа.

На странице SIMMAX Solutions можно узнать подробнее о линейке решений SIMMAX, включая SIMMAX-ADDITIVE для аддитивных процессов, SIMMAX-WELDING для сварки и SIMMAX-THERMAL для термообработки.

Частые вопросы

Что такое SIMMAX-ADDITIVE?

SIMMAX-ADDITIVE — российское программное обеспечение ПЛМ Урал для моделирования аддитивных процессов производства. Оно предназначено для инженерного анализа поведения выращиваемого изделия до начала изготовления.

Зачем считать остаточные напряжения в аддитивном производстве?

Остаточные напряжения могут вызывать деформации, трещины, расслоения, изменение геометрии и снижение эксплуатационных свойств детали. Их расчет помогает заранее оценить риски и выбрать более устойчивый технологический вариант.

Что дает моделирование аддитивных технологий?

Моделирование позволяет прогнозировать деформации, механическую усадку, остаточные напряжения и конечную геометрию изделия до запуска печати. Это снижает риск неудачного построения и помогает оптимизировать технологическую подготовку.

SIMMAX-ADDITIVE подходит для импортозамещения?

Да. SIMMAX-ADDITIVE — российское ПО для анализа аддитивки и моделирования аддитивных процессов. Оно может использоваться предприятиями в рамках задач импортозамещения инженерного программного обеспечения.

Кто основные пользователи SIMMAX-ADDITIVE?

Основные пользователи — инженеры, технологи аддитивного производства, специалисты по технологической подготовке, расчетчики и команды, отвечающие за качество и стабильность металлической 3D-печати.

Вывод

Остаточные напряжения в аддитивном производстве — одна из главных причин деформаций, трещин, расслоений и отклонений конечной геометрии изделия. Чем сложнее деталь и ответственнее ее применение, тем важнее прогнозировать поведение изделия до запуска печати.

SIMMAX-ADDITIVE — российское ПО для моделирования аддитивных процессов производства, разработанное ПЛМ Урал. Это уникальная в своем роде разработка для инженерного анализа аддитивных технологий и импортозамещения зарубежных решений. С помощью SIMMAX-ADDITIVE можно заранее оценивать деформации, механическую усадку, остаточные напряжения и риски технологического процесса, чтобы снизить вероятность брака и повысить предсказуемость аддитивного производства.

Подробнее о продукте и возможностях линейки можно узнать на странице SIMMAX Solutions.