Аддитивные технологии

Увеличиваем эффективность аддитивного производства

Устранение производственного брака – трудоемкая, но актуальная задача для увеличения рентабельности аддитивного производства. В условиях сжатых сроков, прогнозирование дефектов, быстрый анализ сотни параметров и модификация деталей невыполнимы без использования программного обеспечения. В данной статье мы приводим обзор решений для моделирования СЛС/SLM процесса 3D-печати, а также делимся советами, как с их помощью можно увеличить эффективность аддитивного производства.
30 марта 2021

Введение 

Ежегодно аддитивные технологии (АТ) внедряют и используют в производстве все больше компаний, что связано с появлением общедоступных стандартов и методик конструкторскотехнологической подготовки деталей, наработками в исследовании физикомеханических характеристик «аддитивных» материалов, отработкой процедур сертификации этих материалов и конечных изделий. Однако разработка технологического процесса изготовления новых деталей все еще сопряжена с рядом трудностей: возможен производственный брак или снижение качества 3D-печати. Эти проблемы могут привести к существенным издержкам, которые особенно характерны для технологии селективного лазерного сплавления (СЛС, или англ. SLM).

Цель данной статьи – описать типовые дефекты при СЛС/SLM 3D-печати, а также инструменты их устранения при помощи специализированных программ для моделирования и анализа.

О процессе СЛС и типовых дефектах

Технология СЛС относится к классу АТ сплавления материала в заранее сформированном слое (от англ. Powder Bed Fusion). Металлический порошок сплавляется лазерным лучом [1] послойно, сам процесс происходит в герметичной камере с защитной средой инертного газа. Каждый новый слой [6], толщиной от 20 до 150 микрон, наносится и разравнивается специальным ножом-ракелем, или так называемым рекоутером [3]. Для обеспечения достаточной жесткости заготовки [4] и отвода тепла в процессе изготовления к нависающим поверхностям подводят специальные поддерживающие структуры, или поддержки [5]. Приведенного краткого описания достаточно для общего понимания и последующего развития темы, для более детального изучения технологии мы рекомендуем следующие книги [1, 2].

Из-за особенностей технологического процесса СЛС при 3D-печати деталей даже на отработанных и стабильных режимах сплавления возможно возникновение следующих дефектов:

  • искажение формы заготовки (коробление);
  • высокая шероховатость или локальные искажения поверхности;
  • удар или неправильное взаимодействие с рекоутером;
  • разрушение, растрескивание поддержек и самой заготовки;
  • ухудшение микроструктуры, сплошности и физико-механических характеристик сплавленного металла.

Перечисленные дефекты могут привести к производственному браку, что плохо сказывается на общей эффективности и экономике аддитивного производства. Основная проблема в том, что перечисленные дефекты возникают непосредственно из-за физики процесса СЛС. Они основаны на технологических напряжениях внутри заготовки, недостаточном теплоотводе, недопустимых искажениях формы и других более сложных причинах. Учитывая природу этих дефектов, даже опытный инженер-технолог СЛС процесса не всегда может их предсказать, основываясь только на своем опыте.

Подходы к моделированию процесса СЛС

Один из способов исследования процесса СЛС, а также прогнозирования дефектов 3D-печати сложных деталей – использование специальных программ для моделирования и анализа. В зависимости от целей моделирования используются различные подходы к анализу, математические модели и программы. 

Слева: Упрощенная схема процесса СЛС (источник – 3dhubs.com) Справа: Типовые дефекты при изготовлении (источник – Additive Works GmbH)
Слева: Упрощенная схема процесса СЛС (источник – 3dhubs.com), Справа: Типовые дефекты при изготовлении (источник – Additive Works GmbH)

На фундаментальном уровне изучения процесса рассматривается нестационарная междисциплинарная модель сплавления малого объема металлического порошка. Междисциплинарная модель подразумевает одновременное или последовательное решение задачи теплопроводности, механики жидкости (расплава) и деформируемых твердых тел с учетом различных нелинейностей и фазовых переходов. Из-за своей сложности данная модель больше подходит для использования в научно-исследовательских целях, а для ее реализации требуются суперкомпьютеры, месяцы подготовки, вычислений и анализа результатов. Безусловно, этот подход важен для понимания процесса, но его практическое применение затруднительно. Более подробно данный подход к моделированию СЛС приведен в книге [3].

Для моделирования СЛС процесса изготовления реальных деталей применяется упрощенный подход. При этом используемая математическая модель не является сверхсложной, а длительность вычислений меньше длительности самого процесса изготовления, что делает ее удобной для использования инженерами-технологами на аддитивном производстве. В зависимости от конкретного программного решения, подход к моделированию незначительно отличается, но концептуально он реализован следующим образом:

  • на первом уровне (микроуровень) происходит вычисление внутренних технологических деформаций в элементарном образце, при помощи автоматизированного термомеханического расчета или калибровки по изготовленным образцам;
  • на втором уровне (макроуровень, масштаб заготовки) вычисленные ранее технологические деформации прикладываются в виде начальных условий на макрослои расчетной модели (макрослой представляет собой сотни реальных слоев). Таким образом, междисциплинарный процесс СЛС сводится к упрощенной механической или термомеханической задаче, что значительно ускоряет процесс вычисления и анализа результатов.

Данный двухуровневый подход является быстрым, достаточно точным и безальтернативным для моделирования СЛС процесса, прогнозирования дефектов при изготовлении деталей.

Существующие программные решения и их функционал

Из-за большой потребности индустрии в моделировании процесса СЛС на данный момент существуют десятки различных решений и программных комплексов. Функционал каждого решения в чем-то уникален, однако основные возможности, инструменты и подходы к прогнозированию дефектов похожи. Из типового функционала можно выделить:

  • инструменты для быстрой оценки технологичности, геометрического анализа детали и поиска ее оптимального положения в камере построения;
  • моделирование и прогнозирование искажений формы, технологических напряжений в заготовке и поддержках, удара рекоутера, остаточных короблений в процессе изготовления и последующих этапах (удаление поддержек и термическая обработка);
  • тепловой анализ и выявление зон с недостаточным теплоотводом;
  • компенсация остаточных короблений заготовки.

При правильном использовании перечисленных инструментов возможно увеличить точность изготовления, а также свести к минимуму вероятность возникновения дефектов, что приведет к уменьшению стоимости опытных деталей и улучшению их качества.

Примеры практического использования

Примеры использования ПО Materialise Magics Simulation©
Примеры использования ПО Materialise Magics Simulation©

Описанные ранее подходы не только теоретически обоснованы, но и подтверждены множеством практических примеров, реализованных в работе международных научно-исследовательских и инжиниринговых компаний. «ИННФОКУС» также имеет опыт прикладного использования программных продуктов для моделирования СЛС процесса, таких как Materialise Magics Simulation© (Materialise NV), Amphyon© (Additive Works GmbH), Autodesk Netfabb Simulation© (Autodesk, Inc), и является официальным поставщиком данных решений на территории РФ. Рассмотрим данные программы и реализованные с их помощью кейсы более подробно.

Materialise Magics Simulation© – новый модуль для моделирования СЛС процесса, который интегрирован в интерфейс программы для технологической подготовки аддитивного производства Materialise Magics©. Для демонстрации функциональных возможностей, данный модуль использовался для моделирования изготовления по СЛС технологии титановой детали-вставки в сэндвичпанели для аэрокосмической отрасли [4] и имплантата для лицевой хирургии [5]. В данных кейсах была показана качественная и количественная сходимость результатов моделирования с реальными короблениями, а также показано удобство использования модуля Simulation© в единой среде Materialise Magics©.

Amphyon© – специализированная программа, разработанная компанией Additive Works GmbH [6] для комплексного анализа и моделирования СЛС процесса. Данная компания реализовала множество проектов в области АТ и состоит в партнерских отношениях с лидерами индустрии, среди которых можно выделить EOS©, SLM Solutions©, 3D Systems©, PTC©, Altair© Engineering Inc. Примеры практического использования программы, применяемые математические модели, верификация представлены в статьях [7, 8], а также в научных трудах сооснователя компании, Нилса Келлера (Nils Keller). Amphyon© отлично зарекомендовал себя и активно используется как научно-исследовательскими, так и инжиниринговыми компаниями [9].

Autodesk Netfabb Simulation© – программа для моделирования СЛС процесса, также доступна в виде модуля с упрощенным функционалом для Netfabb© Ultimate. Данное решение вместе с другими продуктами Autodesk© Inc. образуют целую экосистему для разработки и аддитивного производства инновационных изделий. В статье [10] представлен наш опыт использования Netfabb Simulation© для моделирования процесса изготовления кронштейна. В ходе работы был апробирован метод моделирования СЛС процесса, а также создана 3D-модель заготовки, которая компенсирует технологические деформации.

Перечисленные программные комплексы верифицированы и апробированы, а их интерфейс понятен и удобен в использовании. С их помощью можно значительно улучшить процесс проектирования деталей, заготовок, поддержек, разработки технологии, подбора режимов и параметров изготовления.

Примеры использования ПО Additive Works Amphyon©
Примеры использования ПО Additive Works Amphyon©

Моделирование СЛС в процессе технологической подготовки производства

Далее рассмотрим способы прогнозирования дефектов 3D-печати и основные этапы моделирования СЛС процесса в технологической подготовке аддитивного производства.

Первоначальный этап – анализ заготовки и вариантов ее расположения в камере построения по основным геометрическим и технологическим параметрам. Это особенно актуально для заготовок, у которых ручной выбор положения затруднителен. В зависимости от конкретной программы-критерии оценки различны, но обычно используются: вместимость в камеру построения, объем поддержек, время/ высота печати, трудоемкость постобработки. Помимо вычисления данных критериев, возможен автоматический поиск оптимального положения заготовки. Описанный функционал в явном виде не позволяет определить возможные дефекты 3D-печати, однако с его помощью можно быстро определить наиболее перспективные варианты положения заготовки и изменить геометрию детали для улучшения ее технологичности на ранних стадиях проектирования.

Отображение дефекта типа «коробление заготовки»
Отображение дефекта типа «коробление заготовки»

Далее следует проектирование и оптимизация поддерживающих структур. Проектирование поддержек может выполнятся как в программах подготовки аддитивного производства (Materialise Magics©, Autodesk Netfabb©, 3D Systems 3DXpert© и др.), так и непосредственно в программах моделирования СЛС процесса (Additive Works Amphyon©). Оптимизация поддержек представляет собой более сложную процедуру, которая основана на моделировании СЛС. В процессе оптимизации происходит перераспределение плотности поддержек для увеличения общей жесткости конструкции (платформа построения, заготовка и поддержки) или снижения объема поддержек [8]. При этом плотность поддержек регулируется количеством стенок и их перфорацией. Передача геометрических моделей заготовки или поддержек между различными программами осуществляется экспортом/ импортом STL файлов.

После определения положения заготовки, системы поддержек и параметров печати можно переходить непосредственно к моделированию СЛС процесса. Результатом моделирования являются перемещения заготовки и поддержек в процессе 3D-печати, а также их производные – механические напряжения, деформации. Главная задача этого этапа (и в целом моделирования СЛС процесса) – прогнозирование дефектов и снижение рисков их возникновения за счет доработки детали, системы поддержек, параметров изготовления и других мероприятий. Далее будут представлены способы прогнозирования и исправления типовых для СЛС процесса дефектов.

Отображение дефекта типа «разрушение поддержек» [11]
Отображение дефекта типа «разрушение поддержек» [11]

Возникновение высоких, недопустимых перемещений (коробление) заготовки – дефект, который напрямую влияет на точность конечной детали. Для прогнозирования подобного типа дефекта достаточно проанализировать результаты суммарных или осевых перемещений заготовки в процессе 3D-печати и последующих операциях. Снизить технологические коробления возможно увеличением жесткости поддержек, проектированием специальных сдерживающих элементов, компенсацией технологических деформацией.

Следующий распространенный тип дефекта – разрушение заготовки или поддержек. Его прогнозирование чуть более трудоемкое, из-за необходимости определения критериев разрушения, которые можно выразить в виде максимально допустимых деформаций или напряжений. Для более точного определения данных критериев требуется проведение механических испытаний или подробное изучение и моделирование подобных дефектов, которые возникали ранее. После определения критериев разрушения, для прогнозирования подобных видов дефектов достаточно анализа и сравнения нормальных, главных, эквивалентных деформаций или напряжений с критическим значением.

Отображение дефекта типа «удар/взаимодействие с рекоутером»
Отображение дефекта типа «удар/взаимодействие с рекоутером»

Для борьбы с подобными дефектами существует множество приемов: исправление концентраторов напряжений в детали, создание плавного перехода от платформы построения к заготовке, увеличение жесткости поддержек, изменение положения заготовки, использование стратегий сканирования, которые создают благоприятные поля технологических напряжений, и др. Определение подходящего способа для снижения рисков разрушения поддержек или заготовки значительно упрощается с использованием программ для моделирования СЛС процесса.

Еще один частый вид дефекта – удар, снос заготовки и поддержек или неправильное, неполное разравнивание металлического порошка рекоутером. В зависимости от типа рекоутера в СЛС установке, данный дефект проявляется по-разному. Его причина – в высоких, недопустимых перемещениях заготовки или поддержек по направлению выращивания, которые вызваны технологическим напряжениями или недостаточным теплоотводом. Для его прогнозирования и исправления используются похожие приемы, как и у дефекта типа высокого коробления.

Перечисленные дефекты не единственные, которые возникают при аддитивном производстве, однако они являются причиной производственного брака более чем в половине случаев.

После моделирования СЛС процесса и разработки мероприятий по снижению рисков возникновения дефектов, можно выполнить компенсацию технологических деформаций. Данный этап необходим по причине того, что максимальное увеличение жесткости заготовки для снижения короблений не всегда возможно из-за экономических или технологических причин. Компенсация технологических деформаций реализуется посредством изменения формы заготовки на величину обратную перемещениям, которые были получены в результате моделирования СЛС процесса. При этом технологические коробления новой заготовки деформируют ее до состояния формы в поле геометрического допуска.

Описанные этапы моделирования СЛС процесса отлично встраиваются и дополняют цепочку конструкторско-технологической подготовки деталей, а их использование может существенно увеличить эффективность аддитивного производства. Для завершения комплексного обзора рассмотрим его экономическую часть.

Моделирование СЛС и компенсация технологических деформаций. Результат работы специалистов «ИННФОКУС» [10] Используемое ПО – Autodesk Netfabb Simulation©
Моделирование СЛС и компенсация технологических деформаций. Результат работы специалистов «ИННФОКУС» [10]
Используемое ПО – Autodesk Netfabb Simulation©

Экономия от внедрения программного обеспечения

Технико-экономическое обоснование приобретения программного обеспечения для аддитивного производства или инжиниринговой компании индивидуально и зависит от множества факторов. Однако можно привести упрощенную оценку. Так, в среднем, типовая деталь, изготовленная по технологии СЛС, стоит 100 тысяч рублей. Соответственно каждый производственный брак или ошибка приносит убыток в 100 тысяч рублей. Регулярный производственный брак одной детали в месяц суммарно ежегодно приносит 1.2 миллиона рублей убытков, регулярный брак раз в неделю – 5.2 миллиона рублей.

В зависимости от стоимости и количества новых деталей, используемого металлического порошка и требованиям к его повторному использованию, трудоемкости перепроектирования заготовки, системы поддержек и обслуживания установки, убытки могут достигать еще больших сумм, что в разы превосходит стоимость программ для моделирования СЛС-процесса.

Заключение

Этапы моделирования СЛС-процесса в технологической подготовке аддитивного производства
Этапы моделирования СЛС-процесса в технологической подготовке аддитивного производства

Опираясь на собственный опыт и опыт наших коллег можно сделать вывод, что программы для моделирования СЛС-процесса относятся к классу необходимых инструментов для конструкторско-технологической подготовки в аддитивном производстве. На большом количестве примеров мы показали, как происходит прогнозирование и устранение различных дефектов СЛС 3D-печати. Различные кейсы от Materialise Magics Simulation© (Materialise NV), Amphyon© (Additive Works GmbH), Autodesk Netfabb Simulation© (Autodesk, Inc) демонстрируют высокую точность моделирования и удобство использования. Анализ уникальных потребностей, особенностей интеграции и лицензирования поможет определить, какое из перечисленных решений выведет ваше аддитивное производство на новый уровень.

Источники: 

[1] Лазерные аддитивные технологии в машиностроении | Григорьянц А.Г. 

[2] Технологии аддитивного производства | Гибсон Я. 

[3] Thermo-Mechanical Modeling of Additive Manufacturing | Gouge M.

[4] www.materialise.com | Predicting Deformations of Titanium Inserts: The Power of Simulation Software 

[5] www.materialise.com | AM Simulation: A Guide to the Best Part Orientation and Support Configuration 

[6] www.additive.works 

[7] www.altair.com | Component level simulation of selective laser melting process – VTT Pipe 

[8] www.altair.com | Automated First-time-right Support Generation for Laser Beam Melting with Additive Works’ Amphyon 

[9] www.etteplan.com 

[10] www.autodesk.ru | Аддитивное производство: точнее, быстрее, дешевле

[11] www.autodesk.com | Netfabb Simulation Research & Validation: Support Failure Prediction

О компании: ООО «ИННФОКУС» – инжиниринговая компания, системный интегратор в области аддитивных технологий. 

Предоставляемые услуги: 

  • инженерный консалтинг по направлению «Аддитивные технологии»;
  • проектирование, топологическая оптимизация, моделирование процессов в аддитивных технологиях и реверс-инжиниринг;
  • опытное изготовление деталей по аддитивным технологиям;
  • выполнение профильных ОКР и НИОКТР;
  • поставка оборудования и ПО;
  • обучение ООО «ИННФОКУС» является официальным поставщиком программных продуктов Materialise Magics©, Additive Works Amphyon©, Autodesk Netfabb Simulation© на территории РФ.

Для запроса коммерческих предложений и демонстрации возможностей ПО просим связаться с нами. 

Контакты: in@infcs.ru | +7 (342) 254 02 16

Теги: