Аддитивное производство (также известное как 3D-печать) дает вам большую гибкость при проектировании и оптимизации деталей. Когда вы думаете о процессе 3D-печати, вы сначала можете подумать о гибких полимерных деталях. Однако те объекты, которые вы обычно производите на 3D-принтере (например, прототипы, единичные экземпляры, мелкосерийное производство или формы, которые не поддаются традиционному производству), могут лучше подходить для более прочных и термостойких материалов - металлы.
Вы захотите выполнить моделирование своих конструкций, чтобы убедиться, что они выдерживают различные нагрузки. Поскольку свойства металла отличаются от свойств пластика, при печати, моделировании и анализе металла следует учитывать другие особенности. Продолжайте читать, чтобы узнать больше о соображениях, связанных с процессом аддитивного производства металлов.
Термомеханика металлических процессов AM
Процесс аддитивного производства металлов (AM) - один из наиболее перспективных аддитивных методов. Это может привести к получению очень плотных и сложных деталей из металлического порошка. Сам процесс похож на сварку, при которой порошок нагревается до температуры плавления и затвердевает по мере охлаждения, образуя деталь. Поскольку скорости нагрева и охлаждения высоки из-за небольшого размера сварочных путей, термомеханика (эффект температурного градиента) становится актуальной, и могут наблюдаться эффекты, подобные тем, которые происходят при сварке.
Основным эффектом является сжатие при остывании и образование пластической деформации из-за сильных температурных градиентов. Это вызывает деформацию, а также остаточные напряжения. Благодаря механике сплошных сред геометрия изготовленной детали определяет, где возникают пластическая деформация, деформация и напряжения. В частности, в больших конструкциях накопление сжатия приводит к возникновению высоких сил, которые могут значительно деформировать или повредить форму.
Таким образом, точность окончательной формы зависит не только от производственных допусков электрооптической системы, но и от геометрии детали и свойств материала. Хотя точность селективного плавления довольно высока (<100 мкм), отклонение, вызванное термомеханикой, может быть на порядок выше и доходить до нескольких сантиметров. Геометрия детали часто определяет фактическую точность производственного процесса.
Смоделировать производственный процесс
Хотя процесс затвердевания и термомеханика металлического AM очень сложны в деталях, упомянутые эффекты, которые, например, приводят к искажению, могут быть смоделированы на макроскопическом уровне с использованием подходящих методов моделирования сварки.
Если предположить, что это обычный процесс сварки, но с очень длинным сварочным швом (деталь полностью состоит из сварных швов), можно применить «метод собственной деформации». Это может уменьшить термомеханическую модель до статического моделирования, которое может быть легко решено с помощью механического метода конечных элементов (МКЭ).
Чтобы еще больше снизить сложность расчета, можно предположить, что процесс термически устойчив. Это означает, что температура окружающей среды (части) не повышается, и получаемый материал в среднем однороден и изотропен. Для большинства материалов и работ это обусловлено правильным подбором параметров процесса. Благодаря этому, а также за счет использования дополнительных характеристик процесса, можно использовать сетки конечных элементов, которые намного грубее, чем фактическое разрешение процесса.
Кроме того, меньшее количество слоев приводит к сокращению времени вычислений, поскольку необходимо вычислять меньшее количество шагов. В принципе, один этап расчета включает добавление n-го слоя конечных элементов и применение эффективного сжатия объема. Континуум-механическое равновесие развивается вместе со слоями. Это происходит не только из-за приложенной деформации, но и из-за того, что сама геометрия меняется со слоями. Этим эффектом можно объяснить большинство микроскопических дефектов и искажений металлических деталей, изготовленных аддитивным способом.
Понимание и использование результатов моделирования
Чтобы использовать результаты моделирования, например, для улучшения производственного процесса, необходимо понимать прогнозируемые значения и важность имитационной модели. При использовании линейно-упругой модели идеального пластичного материала результаты моделирования содержат следующие важные переменные: смещение, напряжение и компоненты напряжения по Мизесу, а также пластическую деформацию.
Смещение
Смещение легко интерпретировать, поскольку это реальное физическое движение тела. Его можно использовать для проверки допусков и подтверждения конструкции и подготовки к работе перед производством. Однако, если смещение можно точно предсказать, эту информацию можно использовать в качестве обратной связи, а также для компенсации искажения путем виртуального предварительного изгиба детали. Кроме того, можно исследовать отклонение по оси Z самого верхнего слоя, что позволяет увидеть, может ли повторное покрытие нового слоя не удастся из-за удара лезвия о изгибающуюся вверх часть.
Напряжение по фон Мизесу и компоненты напряжения (остаточное напряжение)
Конечно, всегда интересно посмотреть, как (остаточное) напряжение распределяется внутри детали, поскольку это зависит от геометрии детали. Перераспределение напряжений, которое происходит, когда часть удаляется из опорной плиты представляет собой интересное явление, которое может быть понято и исследовано с помощью моделирования.
Пластическая деформация
В областях, где напряжение по Мизесу равно пределу текучести материала, происходит пластическая деформация. Пластическая деформация и ее норма в виде скалярной величины показывают необратимую деформацию и являются хорошим индикатором повреждения материала и риска отказа. Сравнивая его с критерием относительного удлинения при разрыве, его можно использовать для прогнозирования критических областей с точки зрения растрескивания или расслоения. В частности, нежелательное разделение опорных конструкций во время процесса можно предсказать и противодействовать ему до того, как начнется фактическое производство.
Поскольку за силу эффектов отвечает механика континуумов, поведение компонента будет отличаться при изменении подготовки к работе. Направление сборки, а также опорная конструкция имеют огромное влияние на геометрию самой детали. Таким образом, их можно использовать для оптимизации механических условий во время производства.
Выявление вариантов использования и применение технологии моделирования
Чтобы получить выгоду от моделирования и улучшить качество и / или уменьшить количество сбоев сборки, вам необходимо определить правильный вариант использования. Хотя все детали и материалы демонстрируют одинаковое поведение в процессе моделирования, сила эффектов зависит от материала, геометрии и размера детали.
Как правило, чем больше деталь, тем больше вероятность сбоя в работе и деформации детали. Таким образом, для больших конструкций полезно запустить моделирование до начала производства. Особенно из-за высоких затрат, связанных с созданием больших конструкций.
Хотя можно решить производственные проблемы, найдя наилучшую ориентацию, имея оптимальные опорные конструкции и красивый дизайн для AM, проблем с искажениями не всегда можно избежать. Даже термическая обработка не может уменьшить сжатие, возникающее во время процесса. Чтобы избежать больших отклонений на больших или сложных конструкциях, можно применить метод «предварительной деформации». На основе смоделированных смещений геометрия изменяется таким образом, что сжатие во время процесса приводит к получению точной детали. Затем этот шаг становится дополнительной частью рабочего процесса подготовки цифрового задания.
В этой цепочке подготовки заданий симуляция сама по себе является входом для создания задания сборки. Компоненты, которые раньше нельзя было реализовать из-за проблем с искажениями, теперь можно легко и точно напечатать с помощью этого рабочего процесса, основанного на моделировании.
Попробуйте Amphyon для Creo 7.0
Для моделирования 3D-печати металлом для Creo 7.0 был выпущен подключаемый модуль Amphyon для Creo от Additive Works . Моделирование может проводиться как часть подготовки к печати в лотке, а предварительно деформированные модели автоматически заменят оригиналы для аддитивного производства почти чистой формы.
