Nutzung von 3D-Drucksimulationen für höchste Qualität und Genauigkeit

Erfahren Sie mehr über die Vorteile und den aktuellen Stand der Technik von 3D-Drucksimulationen. Dieser Artikel beschreibt, warum, was und wie Simulationen im 3D-Druck eingesetzt werden können, und gibt Tipps, die Ihnen den Einstieg erleichtern.

Einführung

Die Simulation des Herstellungsprozesses wird langsam Teil des 3D-Druck-Workflows. 3D-Drucksimulationen helfen, die komplexen thermomechanischen Phänomene während der Fertigung zu verstehen und zu visualisieren, was zur Produktion hochwertiger und hochpräziser Teile führt.

Dies ist besonders wichtig für hochwertige Komponenten, die mit modernsten 3D-Druckverfahren hergestellt werden, bei denen Design-Iterationen (das Verwerfen eines fehlerhaften Drucks) sowohl im Hinblick auf die Materialkosten als auch auf die Herstellungszeit sehr teuer sind.

Simulationen des 3D-Druckprozesses sollten nicht mit den häufigeren mechanischen FEA-Simulationen verwechselt werden:Letztere helfen dabei, die mechanische Leistung eines Teils unter bestimmten Bedingungen im Zusammenhang mit seiner Funktion (Last, Verformung, Temperatur usw.) zu bewerten, während erstere dabei helfen, das Ergebnis des 3D-Druck-Herstellungsprozesses Schicht für Schicht und unter bestimmten Prozessparametern vorherzusagen.

In diesem Artikel stellen wir zunächst die Hauptvorteile der Simulation der einzelnen 3D-Druckprozesse vor. Anschließend werfen wir einen genaueren Blick auf die Details einer erfolgreichen Simulation und geben einige praktische Tipps für den Einstieg.

Warum Simulationen im 3D-Druck verwenden?

Die Simulation des 3D-Druckprozesses ist sehr wertvoll, denn sie hilft dabei:

Druckfehler vermeiden und Teile, die aufgrund geometrischer Probleme abgelehnt werden, was Zeit spart und die Gesamtkosten senkt.

Bewerten Sie das Risiko der Produktion und geben Hinweise zur Minderung der Ausfallwahrscheinlichkeit .

Verstehen Sie die Physik des Herstellungsprozesses.

Sagen Sie die mikrostrukturellen Eigenschaften voraus des Endteils.

Produktion optimieren um die Fertigungsgeschwindigkeit zu verbessern, Nachbearbeitungsvorgänge zu reduzieren oder die Genauigkeit durch Reduzierung der Teile- und Stützverformung zu verbessern.

Sie können die Simulation vor oder nach der Generierung der Stützstrukturen durchführen:

Vor der Unterstützungsgenerierung helfen Simulationsergebnisse dabei, kritische Bereiche mit erheblicher Verformung oder innerer Spannung zu identifizieren während der Herstellung. Der Designer kann dann angepasste Stützstrukturen hinzufügen, um die Verformung zu minimieren, die Druckausrichtung ändern, um die Bereiche der Wärmeansammlung zu ändern, oder die Geometrie des 3D-Modells ändern, um die Qualität des Endergebnisses zu verbessern.

Nach der Unterstützungsgenerierung helfen Simulationen, das Risiko zu minimieren Bei einem Produktionsausfall (z. B. aufgrund einer Beschichterstörung) stellen Sie sicher, dass die Abmessungen des Endteils innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegen und bewerten Sie die Auswirkungen verschiedener Druckparameter (zum Beispiel durch den Vergleich von Parametern, die für die Produktion optimiert sind, mit Parametern, die für die Genauigkeit optimiert sind).

In beiden Fällen tragen Simulationen dazu bei, das mit der hochwertigen Fertigung verbundene Risiko zu reduzieren und zur Verbesserung der Produktivität des großvolumigen 3D-Drucks, wodurch wochenlange Produktionszeit und Tausende von Dollar an Entwicklungs- und Produktionskosten eingespart werden.

Welche 3D-Druckprozesse sollen simuliert werden?

Simulationen sind vor allem für den hochwertigen und hochpräzisen 3D-Druck relevant. Darüber hinaus basieren die beliebtesten aktuellen 3D-Druck-Simulationspakete auf Metallschweißsimulationslösern. Daher werden Simulationen häufiger beim Metall-3D-Druck verwendet.

Allerdings können alle wichtigen 3D-Druckprozesse simuliert werden und hier ist der Grund:

SLM/DMLS: SLM und DMLS sind die ältesten und ausgereiftesten Technologien unter den Metall-3D-Druckverfahren und daher konzentrieren sich viele Softwarepakete hauptsächlich auf sie. Da die Schmelztemperaturen von Metallen höher sind als die Polymersintertemperaturen, sind die thermomechanischen Einschränkungen bei SLM/DMLS-Teilen am wichtigsten.

EBM: EBM ist im Vergleich zu SLM/DMLS eine neuere Metall-3D-Drucktechnologie und nur wenige Softwarepakete bieten Lösungen dafür. Simulationen im EBM können dabei helfen, die vom Elektronenstrahl erzeugten Wärmeansammlungsbereiche zu identifizieren.

FDM: Das Hauptproblem bei FDM ist die Verformung, die durch die unterschiedliche Abkühlung des extrudierten thermoplastischen Materials entsteht. Durch Simulation kann überprüft werden, ob das Teil neu gestaltet werden muss oder ob eine Krempe hinzugefügt werden sollte, um die Haftung an der Plattform zu erhöhen.

SLA/DLP :Bei SLA und DLP ist das Hauptproblem das Curling, das dem Warping ähnelt. Derzeit gibt es nicht viele Softwarelösungen zur Simulation des SLA-Druckprozesses.

SLS: Bei SLS sind keine Stützstrukturen erforderlich, es können jedoch Zonen thermischer Ansammlung im Aufbau auftreten, die zu einer schlechten Oberflächenglätte oder zu Verwerfungen führen. Mithilfe einer Simulation können diese Bereiche identifiziert werden.

Simulationsausgaben und -ergebnisse

Temperaturverteilung

Der Temperaturgradient ist die Ursache aller mechanischen Phänomene, die während eines Baus auftreten.

Der Temperaturgradient kann manchmal allein berechnet werden, ohne dass eine mechanische Verformung erforderlich ist. Dies ist in der Regel schneller als eine vollständige Simulation und die Lösung der Probleme der Wärmeansammlung könnte gleichzeitig die Probleme der mechanischen Verformung lösen.

Temperaturgradientenverteilung eines deskretisierten Modells (SLM/DMLS) in Netfabb. Mit freundlicher Genehmigung von Poly-Shape

Verformung

Unter der Annahme, dass die wahren mechanischen Eigenschaften des Materials bekannt sind, kann die Verformung des Teils während der Herstellung berechnet werden.

Die Richtung der Verformung ist in der Regel korrekt, unabhängig davon, welche Simulationsparameter verwendet werden. Die Amplitude der Verformung hängt jedoch stark von der Größe des Simulationsnetzes ab:Die Verwendung eines feineren Netzes führt zu präziseren Ergebnissen, erfordert jedoch mehr Zeit für die Ausführung.

Verformungsvektoren eines Modells (SLM/DMLS) in Netfabb. Mit freundlicher Genehmigung von Poly-Shape

Recoater-Störung

Wenn bei Pulverbetttechnologien (wie SLS und SLM/DMLS) die Verformung entlang der Z-Achse größer als die Schichtdicke ist, kann der Wiederbeschichter mit dem Teil in Kontakt kommen, es wegfegen und einen Ausfall verursachen. In einigen Simulationspaketen können Sie die Höhe der Recoater-Toleranz definieren und die Software warnt Sie, falls eine Verformung entlang der Z-Achse diesen Schwellenwert überschreitet.

Nachbearbeitungsschritte

Der Hauptschwerpunkt der 3D-Druck-Simulationspakete liegt auf der Berechnung thermomechanischer Phänomene, die während der Herstellung eines Teils auftreten. Allerdings können in späteren Schritten des Herstellungsprozesses auch andere Probleme auftreten.

Beim Lösen des Teils von der Bauplattform oder beim Entfernen der Stützstrukturen kann die Restspannung aus dem Herstellungsprozess dazu führen, dass sich das Teil verformt. Wärmebehandlungen können helfen, den inneren Stress abzubauen. Mit einigen Simulationspaketen können Sie diese Nachbearbeitungsschritte simulieren und dabei helfen zu beurteilen, ob eine Wärmebehandlung notwendig (oder sogar effektiv) ist.

Liste der Simulationssoftware

Diskretisierung

Der erste Schritt einer guten Simulation ist die korrekte Diskretisierung des Teilvolumens.

Im Gegensatz zur regulären mechanischen Simulation, die eine konforme Vernetzung mit Tetraedern verwendet, verwenden die meisten Simulationsprogramme für den 3D-Druck Voxelisierung. Das 3D-Volumen des Teils wird durch kleine Würfel (oder Voxel) dargestellt, ähnlich wie ein 2D-Bild auf einem PC-Monitor durch quadratische Pixel dargestellt wird. Die Verwendung weiterer Vernetzungselemente führt zu präziseren Ergebnissen, erhöht jedoch auch die Simulationszeit erheblich. Das richtige Gleichgewicht zu finden ist der Schlüssel.

Für eine erste Simulation kann es interessant sein, eine erste grobe Simulation mit großen Voxeln zu starten, um „schnelle und schmutzige“ Ergebnisse zu erhalten. Eine solche Simulation sollte es Ihnen ermöglichen, innerhalb von Sekunden oder Minuten die Hauptverformungsbereiche Ihres Drucks zu ermitteln. Es kostet Sie nicht viel und kann Ihnen bei der Entscheidung helfen, ob eine genauere Simulation (mit kleineren Voxeln) erforderlich ist.

Material- und Druckparameter

Sobald das Teil diskretisiert ist, müssen Sie die Materialeigenschaften auswählen. Die Definition der Materialeigenschaften ist wahrscheinlich der wichtigste Schritt im Simulationsprozess, da ungenaue Daten zu falschen Simulationsergebnissen führen.

Die meisten Redakteure stellen ihre eigene Materialbibliothek zur Verfügung, die Ihnen den Einstieg sehr erleichtern kann.

In beiden Fällen sind sie wahrscheinlich nicht perfekt für Simulationen geeignet. Mit jeder Simulationssoftware können Sie Ihre eigenen Materialien ändern oder erstellen, um möglichst genaue Simulationen zu erstellen. Für die korrekte Durchführung sind hierfür Expertenkenntnisse in den Materialwissenschaften erforderlich, und es wird nicht für unerfahrene Benutzer empfohlen.

Kalibrierung

Mit mancher Simulationssoftware können Sie die Materialeigenschaften anhand von Testproben kalibrieren, die aus einem bestimmten Material und auf einer bestimmten Maschine gedruckt wurden. Auf diese Weise werden präzisere Materialeigenschaften identifiziert, was zu genaueren Simulationsergebnissen führt.

Faustregeln

• Simulieren Sie vor der Unterstützungsgenerierung, um die Teilegeometrie zu verbessern und die Konstruktion von Unterstützungen zu unterstützen.
• Simulieren Sie nach der Unterstützungsgenerierung, um die Genauigkeit zu validieren und auf Beschichterinterferenzen zu prüfen.
• Führen Sie zunächst eine schnelle Simulation mit großen Voxeln durch, um Bereiche mit größerer Verformung zu identifizieren. Verfeinern Sie dann das Netz, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu verbessern.
• Simulieren Sie die Temperatur ohne mechanische Auflösung, um Zeit zu sparen, da durch die Lösung der Wärmestauprobleme möglicherweise auch mechanische Verformungsprobleme gelöst werden.
• Bevorzugen Sie cloudbasierte Simulationssoftware für eine schnellere Leistung, verwenden Sie jedoch bei Bedarf lokale Solver, um die Vertraulichkeitsrichtlinien einzuhalten.

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