Аддитивные технологии производства уже приобрели широкую известность, но их промышленный потенциал пока полностью не реализован. Настоящая ценность аддитивного производства заключается в возможности предложить промышленности способ создавать индивидуальный дизайн конструкций со сниженным весом и объединением отдельных деталей в одну.

Например, представим себе экономию при объединении 12 деталей в одну, снижая при этом их общий вес на 20%. Однако, когда компании впервые пробуют применить аддитивные технологии на практике, зачастую изготовление деталей оканчивается неудачей, время работы станка и материалы тратятся впустую. Проектирование деталей для последующего изготовления на 3D принтере существенно отличается от проектирования деталей для изготовления традиционными способами. При разработке конструкторской документации важно учитывать наличие таких факторов как неподдерживаемые выступы, поддержки, направление печати, чтобы обеспечить должное качество напечатанной детали. Именно для этого передовые компании, стремящиеся извлечь максимальную пользу от применения аддитивных технологий 3D печати, используют численное моделирование. Моделирование позволяет с уверенностью предсказывать как пройдет процесс печати детали, где может произойти коробление, отрыв или возникнет зона повышенных остаточных напряжений. Эта информация позволит инженерам внести изменения в процесс разработки и избежать недочетов при печати реальной детали.

Сложности в применении аддитивных технологий

Перед тем, как человечество сможет решать с помощью 3D принтера самые амбициозные задачи, например, использовать аддитивные технологии для создания инфраструктуры при колонизации Марса, необходимо найти решение одной из ключевых проблем - возникновение коробления и термодеформаций деталей. Так, в процессе применения порошковой лазерной наплавки температура процесса постоянно меняется, по мере того как лазер захватывает относительно холодный металлический порошок, который затем остывает в виде слоя на изготовляемой детали. Это вызывает внутренние температурные напряжения, которые могут привести к короблению детали или даже повреждению дорогостоящего 3D принтера.

Проектирование деталей для их последующего изготовления с помощью аддитивных технологий является новым направлением деятельности для конструкторов. За счет необходимости применения методов топологической оптимизации и параметрических численных исследований, процесс работы инженера-проектировщика выходит за рамки традиционного применения 3D CAD-пакетов. Аддитивные технологии открывают перспективы использования бионических форм деталей, которые ранее не могли применяться в силу ограничений производства. Подобные формы уже появляются в элементах подвески концепт-каров и при разработке индивидуальных протезов.

Быстрое развитие аддитивных технологий 3D печати порождает в настоящее время больше вопросов, чем ответов. Передовые дизайнеры, вдохновленные перспективами применения аддитивных технологий, создают сложные проекты с извилистыми каналами и органическими формами, не всегда отдавая себе отчет, что сложность применения аддитивных технологий может привести к существенным отклонениям от спецификации при изготовлении столь сложных форм, что потребует перепроектирования.

Каким образом дизайнеры и конструкторы могут избежать сложностей при реализации своих проектов аддитивными методами? Ответ - с помощью численного моделирования и современных мощных программных пакетов. Если у конструктора, проектирующего изделие для печати на 3D принтере, имеется доступ к технологиям численного моделирования, позволяющим до начала изготовления предсказать, как поведет себя деталь и визуализировать процесс, то этот конструктор может полностью контролировать качество будущего изделия при печати.

Численное моделирование аддитивного производства

Поскольку каждая инженерная группа работает по-своему и применяет инструменты, которые соответствуют их видению и пониманию рабочего процесса, они могут выбирать подходящие программные инструменты из целого ряда различных технологий моделирования аддитивного производства от компании ANSYS. Программный модуль ANSYS Additive Print, который позволяет промоделировать наплавку металлического порошка слой за слоем, снижая количество брака, может быть легко интегрирован в рабочий процесс конструктора или оператора 3D принтера. Лежащие в основе ANSYS Additive Print решатели уравнений физики очень сложные, но пользовательский интерфейс при этом достаточно прост. Конструктор может импортировать CAD модель, запустить процесс моделирования виртуальной печати гораздо быстрее чем напечатать деталь вживую, после чего получить визуализацию процесса, внести необходимые коррективы в систему поддержек или непосредственно конструкцию детали.

Инженер-проектировщик может импортировать сложную CAD геометрию, состоящую из десятков и сотен деталей, в ANSYS Workbench, затем очистить геометрию с помощью ANSYS Spaceclaim и провести требуемые расчеты либо для отдельных деталей, либо для всей сборки – расчет динамической прочности в ANSYS Mechanical, нестационарный тепловой расчет или CFD расчет в ANSYS Fluent для оценки скоростей потоков или падения давления. Также инженер может выполнить топологическую оптимизацию или создать оптимальную ячеистую структуру и заново выполнить для новой формы деталей требуемый набор расчетов в рамках единой среды ANSYS Workbench.

После создания проекта детали, отвечающего всем требованиям с точки зрения прикладываемых нагрузок, инженер может выполнить моделирование непосредственно процесса 3D печати с помощью модуля ANSYS Workbench Additive и ответить на вопросы – каким будет коробление детали, где возникнет зона максимальных температурных напряжений, требуется ли изменить конструкцию поддержек. ANSYS Workbench также позволяет инженеру выполнить дополнительные расчеты усталостной прочности и долговечности, чтобы определить, прослужит ли деталь требуемое количество циклов.

Аддитивные технологии открывают новые возможности перед дизайнерами и проектировщиками. Множество невероятных конструкторских идей воплотится в жизнь в течение ближайших нескольких лет. Численное моделирование физических процессов позволит быть уверенными в том, что эти идеи будут воплощены в жизнь с помощью аддитивных технологий 3D печати.