شبیه سازی در چاپ سه بعدی
معرفی
شبیه سازی های فرآیند چاپ سه بعدی را نباید با رایج ترین شبیه سازی مکانیکی FEA اشتباه گرفت: شبیه سازی مکانیکی FEA به ارزیابی عملکرد مکانیکی قطعه تحت شرایط خاص مربوط به عملکرد آن (بار ، تغییر شکل ، دما و غیره) کمک می کند ، در حالی که مورد اول به پیش بینی نتیجه فرآیند تولید چاپ سه بعدی ، به صورت لایه به لایه و تحت پارامترهای فرایند کمک می کند
تیم توسعه و تحقیق ثمین در این مقاله ابتدا مزایای اصلی شبیه سازی هر یک از فرایندهای چاپ سه بعدی را ارائه می دهد و سپس جزئیات اجرای یک شبیه سازی موفق را مورد بررسی دقیق قرار می دهیم و نکات مفیدی را برای شروع به شما ارائه می دهیم.
چرا از شبیه سازی در چاپ سه بعدی استفاده می کنیم؟
شبیه سازی فرایند چاپ سه بعدی بسیار ارزشمند است ، زیرا به موارد زیر کمک می کند:
- از خرابی چاپ و قطعات رد شده به دلیل مسائل هندسی کمک و باعث صرفه جویی در زمان و کاهش هزینه کلی می شود.
- ارزیابی ریسک تولید و ارائه راهنمایی برای کاهش احتمال خرابی.
- فیزیک فرایند تولید را درک می کنید.
- ویژگی های ریزساختاری قطعه نهایی را پیش بینی کنید.
- بهینه سازی تولید برای بهبود سرعت تولید ، کاهش عملیات پس از پردازش یا بهبود دقت با کاهش قطعه و پشتیبانی از تغییر شکل.
می توانید شبیه سازی را قبل یا بعد از ایجاد ساختارهای ساپورت انجام دهید:
قبل از ایجاد ساپورت ، نتایج شبیه سازی به شناسایی مناطق بحرانی تغییر شکل یا تنش داخلی در طول تولید کمک می کند. سپس طراح می تواند ساختارهای ساپورت مناسب را برای به حداقل رساندن تغییر شکل ، جهت چاپ برای تغییر مناطق تجمع گرما یا اصلاح هندسه مدل سه بعدی برای بهبود کیفیت نتیجه نهایی اضافه کند.
پس از ایجاد ساپورت ، شبیه سازی ها کمک می کند که خرابی های تولید به حداقل برسد (به عنوان مثال به دلیل recoater) ، اطمینان حاصل کنید از اینکه ابعاد قسمت نهایی در محدوده تحمل مشخص قرار دارد و تأثیر پارامترهای مختلف چاپ را ارزیابی می کند (به عنوان مثال ، با مقایسه پارامترهای بهینه سازی شده برای تولید در مقابل پارامترهای بهینه شده برای دقت).
در هر دو مورد ، شبیه سازی به کاهش ریسک مربوط به تولید با ارزش بالا و بهبود بهره وری چاپ سه بعدی با حجم بالا کمک می کند و هفته ها در وقت تولید و هزاران دلار در هزینه های توسعه و تولید صرفه جویی می کند.
کدام فرآیند چاپ سه بعدی را شبیه سازی می کند؟
شبیه سازی ها بیشتر برای چاپ سه بعدی با ارزش و دقت بالا مناسب هستند. علاوه بر این ، محبوب ترین پکیج های شبیه سازی چاپ سه بعدی معاصر بر اساس شبیه سازی جوشکاری فلز است. بنابراین شبیه سازی ها بیشتر با چاپ سه بعدی فلزی استفاده می شوند.
با این حال ، تمام فرایندهای اصلی چاپ سه بعدی را می توان شبیه سازی کرد و به همین دلیل است:
SLM/DMLS : این دو روش قدیمی ترین و بالغ ترین فناوری در بین فرایندهای چاپ سه بعدی فلزی هستند و بنابراین ، بسیاری از بسته های نرم افزاری در درجه اول روی آنها تمرکز می کنند. از آنجا که دمای همجوشی فلزات بیشتر از دمای پخت پلیمر است ، محدودیت های ترمو مکانیکی در قطعات SLM/DMLS مهم ترین است.
EBM: EBM یک فناوری جدید چاپ سه بعدی فلزی در مقایسه با SLM/DMLS است و تنها چند پکیج نرم افزاری راه حل هایی را برای آن ارائه می دهند. شبیه سازی در EBM می تواند به شناسایی مناطق تجمع گرمای تولید شده از پرتو الکترون کمک کند.
FDM: مشکل اصلی FDM تاب خوردن است ، که به دلیل خنک شدن متفاوت مواد ترموپلاستیک اکسترود شده رخ می دهد. شبیه سازی می تواند به بررسی اینکه آیا قطعه نیاز به طراحی مجدد دارد یا باید لبه ای برای افزایش چسبندگی به پلت فرم اضافه شود ، کمک کند.
SLA/DLP: در SLA و DLP مسئله اصلی حلقه زنی است که شبیه تاب خوردن است. در حال حاضر تعداد کمی راه حل نرم افزاری برای شبیه سازی فرآیند SLA وجود دارد.
SLS: در SLS ، سازه های ساپورت مورد نیاز نیستند ، اما مناطق تجمع حرارتی می توانند در ساختمان ظاهر شوند ، که منجر به صافی سطح یا پیچ خوردگی می شود. شبیه سازی می تواند به شناسایی این مناطق کمک کند.
خروجی ها و نتایج شبیه سازی
توزیع دما
گرادیان دما عامل اصلی همه پدیده های مکانیکی است که در طول ساخت و ساز رخ می دهد..
گرادیان دما گاهی اوقات می تواند به تنهایی و بدون هیچ گونه تغییر شکل مکانیکی محاسبه شود. معمولاً سریعتر از شبیه سازی کامل است و حل مسائل تجمع گرما ممکن است مشکلات تغییر شکل مکانیکی را همزمان حل کند.
توزیع گرادیان دما یک مدل مخلوط (SLM/DMLS)
تغییر شکل
با فرض این که خواص مکانیکی واقعی مواد مشخص است ، تغییر شکل قطعه در طول تولید قابل محاسبه است.
جهت تغییر شکل معمولاً درست هست که بدون توجه به پارامترهای شبیه سازی است ، اما دامنه تغییر شکل بستگی زیادی به اندازه مش شبیه سازی دارد: استفاده از مش دقیق تر نتایج دقیق تری را به دنبال دارد ، اما زمان بیشتری برای اجرا نیاز دارد.
بردارهای تغییر شکل مدل (SLM/DMLS)
تداخل recoater
در فناوری های بستر پودری (مانند SLS و SLM/DMLS) ، اگر تغییر شکل در محور z بزرگتر از ضخامت لایه باشد ، recaoter می تواند با قطعه تماس پیدا کرده ، آن را جارو کرده و باعث خرابی شود. در برخی از پکیج های شبیه سازی ، می توانید ارتفاع تحمل recoater را تعیین کنید و نرم افزار به شما هشدار می دهد در صورت تغییر شکل در محور z از این آستانه.
مراحل پردازش پس از تولید
تمرکز اصلی پکیج های شبیه سازی چاپ سه بعدی ، محاسبه پدیده های حرارتی مکانیکی است که در طول ساخت یک قطعه رخ می دهد. با این حال ، مشکلات دیگری نیز می تواند در مراحل بعدی فرآیند چاپ سه بعدی ظاهر شود.
در حین جدا شدن قطعه از سکوی سازه یا حذف سازه های ساپورت ، تنش باقی مانده از فرایند تولید می تواند باعث تغییر شکل قطعه شود. عملیات حرارتی می تواند به کاهش تنش داخلی کمک کند. برخی از پکیج های شبیه سازی به شما امکان می دهند این مراحل پس از پردازش را شبیه سازی کرده و به ارزیابی نیاز به (یا حتی موثر) عملیات حرارتی کمک کنید.
لیست نرم افزارهای شبیه سازی
گسسته سازی
اولین مرحله از یک شبیه سازی خوب ، گسسته سازی صحیح حجم قطعه است.
برخلاف شبیه سازی مکانیکی معمولی ، که از مشبک مطابق با چهار ضلعی استفاده می کند ، اکثر نرم افزارهای شبیه سازی چاپ سه بعدی از وکسل کردن( voxelization ) استفاده می کنند. حجم سه بعدی قطعه با مکعب های کوچک (یا وکسل) نشان داده می شود ، به گونه ای که تصویر دو بعدی در مانیتور کامپیوتر با پیکسل های مربع نشان داده می شود. استفاده از عناصر مشبک بیشتر نتایج دقیق تری را ایجاد می کند ، اما زمان شبیه سازی را نیز به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. یافتن تعادل مناسب مهم است.
برای شبیه سازی اولیه ، جالب است که اولین شبیه سازی درشت را با وکسل های بزرگ راه اندازی کنیم تا نتایج "سریع و کثیف" به دست آید. چنین شبیه سازی باید به شما این امکان را بدهد که در عرض چند ثانیه یا چند دقیقه مناطق اصلی تغییر شکل چاپ خود را بدست آورید. هزینه زیادی برای شما نخواهد داشت و می تواند به شما در تصمیم گیری در مورد نیاز به شبیه سازی دقیق تر (با وکسل های کوچکتر) کمک کند.
پارامترهای مواد و چاپ
پس از مشخص شدن قطعه ، باید ویژگی های مواد را انتخاب کنید. تعریف خواص مواد احتمالاً مهمترین مرحله در فرآیند شبیه سازی است ، زیرا داده های نادرست نتایج شبیه سازی اشتباه را ایجاد می کند.
اکثر ویراستاران کتابخانه مطالب خود را ارائه می دهند ، که می تواند برای شروع شما بسیار مفید باشد.
در هر دو مورد ، آنها احتمالاً به طور کامل برای شبیه سازی مناسب نیستند. هر نرم افزار شبیه سازی به شما امکان می دهد مواد خود را تغییر دهید یا ایجاد کنید تا دقیق ترین شبیه سازی ها را داشته باشید . این امر مستلزم داشتن دانش تخصصی در زمینه مواد است تا به درستی انجام شود و برای کاربران بی تجربه توصیه نمی شود.
کالیبراسیون
برخی از نرم افزارهای شبیه سازی به شما این امکان را می دهند تا خواص مواد را بر اساس نمونه های آزمایشی چاپ شده با یک ماده خاص و روی یک ماشین خاص ، کالیبره کنید. به این ترتیب ، خواص مواد دقیق تری مشخص می شود و در نتیجه نتایج شبیه سازی دقیق تری به دست می آید.
مراحل کلیدی برای شبیه سازی موفق
دو نوع نرم افزار شبیه سازی وجود دارد: حل کننده های مبتنی برابر( cloud based solvers) و حل کننده های محلی(local solvers).
حل کننده های مبتنی برابر معمولاً سریعتر از حل کننده های محلی هستند ، زیرا توسط قابلیت های محاسباتی رایانه شما محدود نمی شوند. با این حال ، برخی از شرکت ها به دلیل مسائل محرمانه بودن از استفاده از راه حل های مبتنی بر ابر تمایلی ندارند ، زیرا داده های ارسال شده از طریق اینترنت می توانند به راحتی آسیب ببینند. برای اکثر برنامه ها این مسئله نخواهد بود.
در اینجا لیستی از محبوب ترین نرم افزارهای شبیه سازی چاپ سه بعدی آورده شده است:
قوانین کلیدی
برای بهبود هندسه قطعه و کمک به طراحی تکیه گاهها ، قبل از تولید ساپورت ها شبیه سازی کنید.
برای تأیید صحت و بررسی تداخل تمیزکننده ، پس از تولید ساپورت شبیه سازی کنید.
ابتدا یک شبیه سازی سریع با وکسل های بزرگ اجرا کنید تا مناطق تغییر شکل بزرگتر را شناسایی کنید. سپس برای بهبود دقت نتایج ، مش را تصفیه کنید.
برای صرفه جویی در زمان ، دما را بدون حل مسائل مکانیکی شبیه سازی کنید ، زیرا حل مسائل تجمع گرما ممکن است مشکلات تغییر شکل مکانیکی را نیز حل کند.
نرم افزار شبیه سازی مبتنی برابر را برای عملکرد سریع ترجیح دهید ، اما در صورت نیاز برای مطابقت با سیاست های محرمانه بودن ، از حل کننده های محلی (local solvers)استفاده کنید.
ترجمه و جمع آوری : واحد خدمات و تحقیق و توسعه پرینتر های سه بعدی ثمین samin3d