Аддитивные технологии, более известные как 3D-печать, активно меняют облик современной промышленности, предоставляя предприятиям новые возможности для оптимизации и ускорения производственных процессов. Так, методы аддитивного производства, основанные на принципе послойного создания объектов, предлагают компаниям решения, которые зачастую сложно реализовать с использованием традиционных производственных методов.

Традиционное производство малых партий или индивидуальных компонентов часто нерентабельно из-за высоких затрат на создание форм и оснастки. 3D-печать позволяет выпускать единичные изделия или небольшие партии с минимальными издержками, например, изготовление индивидуальных компонентов автомобиля. 

Области применения аддитивных технологий

В последние годы аддитивные технологии находят все более широкие применения в различных отраслях промышленности:

• Автомобильная промышленность: 3D-печать ускоряет разработку прототипов и снижает затраты на тестирование. Кроме этого, используется для производства деталей сложной геометрии, что полезно для создания легких и аэродинамических компонентов автомобилей.
• Авиационная и аэрокосмическая промышленность: Аддитивные технологии позволяют уменьшить компонентов, сохранив их прочность. Также аддитивные технологии позволяют использовать новые композитные материалы, стойкие к экстремальным условиям, что открывает новые возможности для авиации и космонавтики. 

Фото ZMorph All-in-One 3D Printers на Unsplash

• Медицинская промышленность: 3D-печать помогает создавать индивидуальные импланты и протез, повышая качество медицинского обслуживания. Также активно развивается биопечать, которая потенциально может позволить печатать органы для трансплантации и открыть новые методы лечения.
• Энергетика: Аддитивные технологии позволяют изготавливать лопатки турбин с оптимизированной геометрией, которую сложно и дорого получить с помощью традиционных методов литья или механической обработки. Например, внутренняя структура лопаток может быть оптимизирована для улучшения теплообмена, что повышает эффективность работы турбины.

Кроме того, 3D-печать активно применяется для изготовления технологической оснастки, что значительно сокращает затраты и время производства, повышая эффективность производственных процессов.

Фото eMotion Tech на Unsplash

Однако, несмотря на все свои преимущества, аддитивные технологии ещё не достигли уровня универсальности, который позволил бы им окончательно заменить традиционные методы производства. Существует ряд недостатков аддитивного производства: 

• Высокая стоимость оборудования и расходных материалов
• Ограничения в размерах области печати рабочей машины
• В процессе 3D-печати, особенно при использовании технологии лазерного спекания порошковых металлов, возникают сильные температурные градиенты, что вызывает внутренние остаточные напряжения. Остаточные напряжения, влияют на коррозионную стойкость, характер роста трещин, усталостные характеристики и могут стать причиной дефектов.

Однако все эти недостатки позволяет скомпенсировать численное моделирование. Для того чтобы получить качественное готовое изделие, необходимо правильно настроить параметры печати. Численное моделирование позволяет учесть параметры печатной машины, термомеханические свойства материала, выбрать оптимальную ориентацию изделия на печатной платформе, оценить величину деформаций и остаточных напряжений после печати, а затем интерпретировать полученные результаты для оценки качества печати. Все это позволяет уменьшить количество брака и осуществить производство наиболее оптимальным способом.

Численное моделирование процесса 3D-печати

Численное моделирование процесса 3D-печати позволяет предсказать поведение материала при различных условиях и параметрах печати. Это важно для контроля напряжений и деформаций, которые могут привести к дефектам или искажениям конечного изделия. Таким образом, появляется возможность внести изменения в геометрию и параметры печати на этапе проектирования и уменьшить затраты на изготовление тестовых образцов.

В качестве инструмента моделирования процесса 3D-печати используется специализированное программное обеспечение Ansys Additive Manufacturing. С использованием данного программного комплекса возможно моделирование поведения различных материалов в процессе 3D-печати. Это позволяет выбрать оптимальные материалы и параметры печати для достижения требуемых механических свойств конечных изделий.  

Часто на практике возникает необходимость оптимизации конструкции. Например, в гоночных болидах снижение массы поворотного кулака снижает общую массу конструкции болида, величину сил инерции подвески, и, как следствие, повышает управляемость. Для решения данной задачи на первоначальном этапе необходимо провести топологическую оптимизацию.

Топологическая оптимизация представляет собой методы оптимизации формы конструкции, в результате которых получается оптимальное распределение материала в ограниченной области с учетом заданных нагрузок, граничных условий, геометрических, прочностных и иных ограничений. Использование топологической оптимизации может привести к существенной модернизации конструкции, например, уменьшить массу конструкции, при этом сохранив прочность и жесткость. Как правило, результатом топологической оптимизации является сложная, уникальная, органическая форма конструкции. Обычно для реализации таких форм удобны и эффективны аддитивные технологии.

Блок-схема этапов топологической оптимизации

Рассмотрим задачу моделирования процесса 3D-печати поворотного кулака автомобиля. Поворотные кулаки изготавливаются из алюминия, титана стали и всевозможных сплавов. Традиционно данный узел изготавливают литьем или штамповкой, а в дальнейшем производят доработку механической обработкой. 

Исходная геометрия поворотного кулака

После проведения расчёта напряжённо-деформированного состояния производится топологическая оптимизация исходной модели поворотного кулака, а затем производится поверочный статический расчет с исходными нагрузками и граничными условиями. В результате, получаем оптимизированную геометрию детали.

Топологическая оптимизация конструкции поворотного кулака

Для того чтобы убедиться в прочности оптимизированной конструкции, необходимо провести поверочный статический расчет.

Результаты топологической оптимизации

На следующем этапе производится настройка процесса 3D-печати:

• Создается рабочая область печати
• Выбирается наиболее оптимальная ориентация детали на печатном столе
• Настраиваются и генерируются поддержки
• Задаются параметры печатной машины, такие как скорость печати, диаметр нити, подогрев и температура платформы и т.д.

Далее производится моделирование процесса 3D-печати. Расчёты производится в два этапа. Сначала производится расчёт температурного поля во всей рабочей области детали. Затем полученное температурное поле используется в механических расчётах. 

Схема процесса

В рамках решения задачи строится конечно-элементная модель. Для расчёта этапа печати доступно формирование 3-х-мерной сетки в виде кубических элементарных объёмов - вокселей.

Сетка модели на этапе моделирования печати

В результате моделирования процесса 3D-печати получаем температурное распределение при печати каждого слоя, а также после остывания детали. 

Температурное распределение при печати детали

Также получаем деформации детали на каждом этапе печати.

Деформации при печати детали

Таким образом, была проведена симуляция этапов аддитивного производства на примере геометрии поворотного кулака, смоделирован процесс послойной печати для детали. В результате, получены поля распределения температур, остаточных напряжений и деформаций. В процессе печати коробления материала (т.е. изменения формы и размеров детали под влиянием внутренних напряжений) не возникает. Деформации, возникающие в модели, меньше предельно допустимых. 

Заключение 

Аддитивные технологии продолжают развиваться, и их роль в промышленности становится все более значимой. Они не только ускоряют и удешевляют производственные процессы, но и открывают новые возможности для проектирования, кастомизации и экологически чистого производства. В условиях стремительно меняющегося рынка, компании, внедряющие 3D-печать, получают конкурентное преимущество и возможность удовлетворить растущие требования современных потребителей.

Навыки и компетенции специалистов компании АО «ЦИФРА» позволяют решать задачи моделирования аддитивного производства на каждом этапе жизненного цикла изделия: от разработки конструкции до печати изделия.

Изображение заголовка: Jakub Żerdzicki на Unsplash