Aproveitando simulações de impressão 3D para qualidade e precisão superiores

Aprenda sobre os benefícios e o estado da arte atual das simulações de impressão 3D. Este artigo descreve por que, o que e como usar simulações na impressão 3D e dá dicas para ajudar você a começar.

Introdução

A simulação do processo de fabricação está lentamente se tornando parte do fluxo de trabalho da impressão 3D. As simulações de impressão 3D ajudam a compreender e visualizar os complexos fenômenos termomecânicos que ocorrem durante a fabricação, resultando na produção de peças de alta qualidade e alta precisão.

Isto é especialmente importante para componentes de alto valor fabricados usando processos de impressão 3D de última geração, onde as iterações de design (descartar uma impressão defeituosa) são muito caras em termos de custo de material e tempo de fabricação.

As simulações do processo de impressão 3D não devem ser confundidas com as simulações mecânicas FEA mais comuns:as últimas ajudam a avaliar o desempenho mecânico de uma peça sob certas condições relacionadas à sua função (carga, deformação, temperatura, etc.), enquanto as primeiras ajudam a prever o resultado do processo de fabricação da impressão 3D, camada por camada e sob certos parâmetros do processo.

Neste artigo apresentamos primeiro os principais benefícios de simular cada um dos processos de impressão 3D e depois examinamos mais de perto os detalhes de como executar uma simulação bem-sucedida, dando algumas dicas úteis para você começar.

Por que usar simulações na impressão 3D?

Simular o processo de impressão 3D é muito valioso, pois ajuda a:

Evite falhas de impressão e peças rejeitadas por questões geométricas, economizando tempo e reduzindo custos gerais.

Avalie o risco da produção e fornecer dicas para mitigar a probabilidade de falha .

Entenda a física do processo de fabricação.

Preveja as características microestruturais da parte final.

Otimizar a produção para melhorar a velocidade de fabricação, reduzir as operações de pós-processamento ou melhorar a precisão reduzindo a deformação da peça e do suporte.

Você pode realizar a simulação antes ou depois de gerar as estruturas de suporte:

Antes da geração do suporte, os resultados da simulação ajudam a identificar áreas críticas de deformação significativa ou tensão interna durante a fabricação. O projetista pode então adicionar estruturas de suporte adaptadas para minimizar a deformação, alterar a orientação da impressão para alterar as áreas de acumulação de calor ou modificar a geometria do modelo 3D para melhorar a qualidade do resultado final.

Após a geração do suporte, as simulações ajudam a minimizar o risco de falha de produção (por exemplo, devido à interferência do repintador), certifique-se de que as dimensões da peça final estejam dentro de uma faixa de tolerância especificada e avaliar o impacto de diferentes parâmetros de impressão (por exemplo, comparando parâmetros otimizados para produção versus parâmetros otimizados para precisão).

Em ambos os casos, as simulações ajudam a reduzir o risco associado à fabricação de alto valor e para melhorar a produtividade de impressão 3D de alto volume, economizando semanas de tempo de produção e milhares de dólares em custos de desenvolvimento e produção.

Quais processos de impressão 3D simular?

As simulações são mais relevantes para impressão 3D de alto valor e alta precisão. Além disso, os pacotes de simulação de impressão 3D contemporâneos mais populares são baseados em solucionadores de simulação de soldagem de metal. Assim, as simulações são mais comumente usadas com impressão 3D de metal.

No entanto, todos os principais processos de impressão 3D podem ser simulados e aqui está o porquê:

SLM/DMLS: SLM e DMLS são as tecnologias mais antigas e maduras entre os processos de impressão 3D em metal e, portanto, muitos pacotes de software concentram-se principalmente nelas. Como as temperaturas de fusão dos metais são mais altas que as temperaturas de sinterização do polímero, as restrições termomecânicas nas peças SLM/DMLS são mais importantes.

EBM: EBM é uma tecnologia de impressão 3D de metal mais recente em comparação com SLM/DMLS e apenas alguns pacotes de software fornecem soluções para ela. Simulações em EBM podem ajudar a identificar as regiões de acumulação de calor geradas a partir do feixe de elétrons.

FDM: O principal problema do FDM é o empenamento, que ocorre devido ao resfriamento diferencial do material termoplástico extrudado. A simulação pode ajudar a verificar se a peça precisa ser redesenhada ou se deve ser adicionada uma aba para aumentar a aderência à plataforma.

SLA/DLP :Em SLA e DLP o principal problema é o curling, que é semelhante ao warping. Não existem muitas soluções de software para simular o processo de impressão SLA no momento.

SLS: No SLS, não são necessárias estruturas de suporte, mas podem aparecer zonas de acumulação térmica na construção, resultando em uma superfície deficiente ou empenamento. A simulação pode ajudar a identificar essas áreas.

Saídas e resultados da simulação

Distribuição de temperatura

O gradiente de temperatura é a causa raiz de todos os fenômenos mecânicos que ocorrem durante uma construção.

O gradiente de temperatura às vezes pode ser calculado sozinho, sem qualquer deformação mecânica. Geralmente é mais rápido do que uma simulação completa e resolver os problemas de acumulação de calor pode, ao mesmo tempo, resolver os problemas de deformação mecânica.

Distribuição do gradiente de temperatura de um modelo descretizado (SLM/DMLS) em Netfabb. Cortesia Poly-Shape

Deformação

Supondo que as verdadeiras propriedades mecânicas do material sejam conhecidas, a deformação da peça durante a fabricação pode ser calculada.

A direção da deformação geralmente está correta, independentemente dos parâmetros de simulação usados, mas a amplitude da deformação depende intimamente do tamanho da malha de simulação:usar uma malha mais fina produzirá resultados mais precisos, mas requer mais tempo para ser executado.

Vetores de deformação de um modelo (SLM/DMLS) em Netfabb. Cortesia Poly-Shape

Interferência do repintador

Em tecnologias de leito de pó (como SLS e SLM/DMLS), se a deformação ao longo do eixo z for maior que a espessura da camada, o repintador pode entrar em contato com a peça, varrendo-a e causando uma falha. Em alguns pacotes de simulação, você pode definir a altura da tolerância do repintador e o software irá avisá-lo caso uma deformação ao longo do eixo z exceda esse limite.

Etapas de pós-processamento

O foco principal dos pacotes de simulação de impressão 3D é o cálculo de fenômenos termomecânicos que ocorrem durante a fabricação de uma peça. Contudo, outros problemas também podem aparecer em etapas posteriores do processo de fabricação.

Durante o desprendimento da peça da plataforma de construção ou a remoção das estruturas de suporte, as tensões residuais do processo de fabricação podem causar a deformação da peça. Os tratamentos térmicos podem ajudar a aliviar o estresse interno. Alguns pacotes de simulação permitem simular essas etapas de pós-processamento e ajudam a avaliar se um tratamento térmico é necessário (ou mesmo eficaz).

Lista de softwares de simulação

Discretização

O primeiro passo de uma boa simulação é a correta discretização do volume da peça.

Ao contrário da simulação mecânica regular, que usa malha conforme com tetraedros, a maioria dos softwares de simulação de impressão 3D usa voxelização. o volume 3D da peça é representado por pequenos cubos (ou voxels), de forma semelhante a uma imagem 2D em um monitor de PC é representada por pixels quadrados. Usar mais elementos de malha produz resultados mais precisos, mas também aumenta significativamente o tempo de simulação. Encontrar o equilíbrio certo é fundamental.

Para uma simulação inicial, pode ser interessante lançar uma primeira simulação grosseira, com voxels grandes, para obter resultados “rápidos e sujos”. Tal simulação deverá permitir obter em questão de segundos ou minutos as principais áreas de deformação da sua impressão. Não custará muito e pode ajudá-lo a decidir se é necessária uma simulação mais precisa (com voxels menores).

Parâmetros de material e impressão

Depois que a peça for discretizada, você precisará selecionar as propriedades do material. Definir as propriedades do material é provavelmente a etapa mais crucial no processo de simulação, pois dados imprecisos produzirão resultados de simulações errados.

A maioria dos editores fornece sua própria biblioteca de materiais, o que pode ser muito útil para você começar.

Em ambos os casos, provavelmente não estão perfeitamente adaptados para simulações. Cada software de simulação permite que você modifique ou crie seus próprios materiais para gerar simulações mais precisas. Isso requer conhecimento especializado em ciência de materiais para ser feito corretamente e não é recomendado para usuários inexperientes.

Calibração

Alguns softwares de simulação permitem calibrar as propriedades do material com base em amostras de teste impressas em um material específico e em uma máquina específica. Dessa forma, propriedades mais precisas dos materiais são identificadas, resultando em resultados de simulação mais precisos.

Regras básicas

• Simule antes da geração do suporte para melhorar a geometria da peça e ajudar no projeto dos suportes.
• Simule após a geração do suporte para validar a precisão e verificar a interferência do repintador.
• Primeiro execute uma simulação rápida com voxels grandes para identificar áreas de maior deformação. Em seguida, refine a malha para melhorar a precisão dos resultados.
• Simule a temperatura sem resolução mecânica para economizar tempo, pois resolver os problemas de acúmulo de calor também pode resolver os problemas de deformação mecânica.
• Prefira software de simulação baseado em nuvem para obter desempenho mais rápido, mas use solucionadores locais, se necessário, para cumprir as políticas de confidencialidade.

Bônus essencial: Baixe gratuitamente o pôster Regras de design para impressão 3D em alta resolução, cheio de diretrizes práticas para os 6 principais processos de impressão 3D.

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