3D プリンティング シミュレーションを活用して優れた品質と精度を実現

3D プリンティング シミュレーションの利点と現在の最先端技術について学びます。この記事では、3D プリントでシミュレーションを使用する理由、何を、どのように使用するかについて説明し、開始に役立つヒントを提供します。

はじめに

製造プロセスのシミュレーションは、徐々に 3D プリントのワークフローの一部になりつつあります。 3D プリンティング シミュレーションは、製造中に発生する複雑な熱機械現象を理解して視覚化するのに役立ち、その結果、高品質で高精度の部品が製造されます。

これは、最先端の 3D プリント プロセスを使用して製造された高価値コンポーネントの場合に特に重要です。設計の反復 (欠陥のあるプリントの破棄) は、材料コストと製造時間の両方の点で非常に高価です。

3D プリンティング プロセスのシミュレーションを、より一般的な機械的 FEA シミュレーションと混同しないでください。後者は、その機能 (荷重、変形、温度など) に関連する特定の条件下で部品の機械的性能を評価するのに役立ちます。一方、前者は、3D プリンティング製造プロセスの結果をレイヤーごとに、特定のプロセス パラメーターの下で予測するのに役立ちます。

この記事では、まず各 3D プリント プロセスをシミュレーションする主な利点を紹介し、次にシミュレーションを成功させるための詳細を詳しく見ていき、開始するための便利なヒントをいくつか示します。

3D プリントでシミュレーションを使用する理由

3D プリント プロセスのシミュレーションは、次のことに役立つため、非常に価値があります。

印刷の失敗を避ける 幾何学的な問題で部品が拒否されるため、時間を節約し、全体的なコストを削減できます。

リスクを評価する 生産の全体像を把握し、失敗の可能性を軽減するためのヒントを提供します。 .

物理学を理解する

微細構造特性を予測する

生産の最適化 製造速度を向上させ、後処理作業を減らし、パーツとサポートの変形を減らすことで精度を向上させます。

サポート構造を生成する前または後にシミュレーションを実行できます。

サポートを生成する前に、 シミュレーション結果は重大な変形または内部応力の重要な領域を特定するのに役立ちます。 製造中。その後、設計者は、変形を最小限に抑えるために適応したサポート構造を追加したり、印刷の方向を変更して熱が蓄積する領域を変更したり、3D モデルの形状を変更して最終結果の品質を向上させることができます。

サポート生成後、 シミュレーションはリスクを最小限に抑えるのに役立ちます。 (リコータの干渉などによる) 生産障害の影響を最小限に抑え、 最終部品の寸法が指定された許容範囲内にあることを確認します。 そしてさまざまな印刷パラメータの影響を評価します。 (たとえば、実稼働用に最適化されたパラメータと精度用に最適化されたパラメータを比較することによって)。

どちらの場合も、 シミュレーションは高価値の製造に関連するリスクを軽減するのに役立ちます。 そして生産性の向上を目指します。 大量の 3D プリントを実現し、数週間の制作時間と数千ドルの開発および制作コストを節約します。

どの 3D プリント プロセスをシミュレートしますか?

シミュレーションは、高価値かつ高精度の 3D プリンティングに最も関連します。さらに、最も人気のある最新の 3D プリンティング シミュレーション パッケージは、金属溶接シミュレーション ソルバーに基づいています。したがって、シミュレーションは金属 3D プリントでより一般的に使用されます。

ただし、主要な 3D プリント プロセスはすべてシミュレートできます。その理由は次のとおりです。

SLM/DMLS: SLM と DMLS は金属 3D プリンティング プロセスの中で最も古く、最も成熟したテクノロジーであるため、多くのソフトウェア パッケージは主にこれらに焦点を当てています。金属の融解温度はポリマーの焼結温度よりも高いため、SLM/DMLS 部品の熱機械的制約が最も重要です。

EBM: EBM は、SLM/DMLS と比較してより新しい金属 3D プリンティング テクノロジーであり、そのソリューションを提供するソフトウェア パッケージはわずかです。 EBM でのシミュレーションは、電子ビームから生成される熱蓄積領域を特定するのに役立ちます。

FDM: FDM の主な問題は反りです。これは、押し出された熱可塑性材料の冷却差によって発生します。シミュレーションは、パーツを再設計する必要があるかどうか、またはプラットフォームへの密着性を高めるためにつばを追加する必要があるかどうかを確認するのに役立ちます。

SLA/DLP :SLA と DLP では、主な問題は反りに似たカールです。現時点では、SLA 印刷プロセスをシミュレートするソフトウェア ソリューションは多くありません。

SLS: SLS ではサポート構造は必要ありませんが、ビルド内に熱が蓄積するゾーンが発生し、表面の平滑性が低下したり、反りが生じたりする可能性があります。シミュレーションは、これらの領域を特定するのに役立ちます。

シミュレーションの出力と結果

温度分布

温度勾配は、ビルド中に発生するすべての機械的現象の根本原因です。

温度勾配は、機械的変形を行わずに単独で計算できる場合があります。通常、これは完全なシミュレーションよりも速く、熱の蓄積の問題を解決することで、同時に機械的変形の問題も解決できる可能性があります。

Netfabb の非値化モデル (SLM/DMLS) の温度勾配分布。 Poly-Shape 提供

変形

材料の真の機械的特性がわかっていると仮定すると、製造中の部品の変形を計算できます。

変形の方向は通常、どのようなシミュレーション パラメータが使用されても正しいですが、変形の振幅はシミュレーション メッシュのサイズに密接に依存します。つまり、より細かいメッシュを使用すると、より正確な結果が得られますが、実行にはより長い時間がかかります。

Netfabb のモデル (SLM/DMLS) の変形ベクトル。 Poly-Shape 提供

リコータ干渉

パウダー ベッド テクノロジ (SLS や SLM/DMLS など) では、Z 軸に沿った変形が層の厚さよりも大きい場合、リコータが部品と接触して部品を押し流し、故障の原因となる可能性があります。一部のシミュレーション パッケージでは、リコータ許容値の高さを定義でき、Z 軸に沿った変形がそのしきい値を超えた場合にソフトウェアが警告を発します。

後処理ステップ

3D プリンティング シミュレーション パッケージの主な焦点は、部品の製造中に発生する熱機械現象の計算です。ただし、製造プロセスの後の段階で他の問題が発生する可能性もあります。

部品をビルド プラットフォームから取り外すとき、または支持構造を取り外すときに、製造プロセスからの残留応力により部品が変形する可能性があります。熱処理は内部ストレスを軽減するのに役立ちます。一部のシミュレーション パッケージでは、これらの後処理ステップをシミュレーションして、熱処理が必要かどうか (または効果的かどうか) を評価するのに役立ちます。

シミュレーション ソフトウェア一覧

離散化

優れたシミュレーションの最初のステップは、パーツの体積を正しく離散化することです。

四面体による等角メッシュを使用する通常の機械シミュレーションとは異なり、ほとんどの 3D プリンティング シミュレーション ソフトウェアはボクセル化を使用します。 PC モニターの 2D 画像が正方形のピクセルで表されるのと同様に、パーツの 3D ボリュームは小さな立方体 (またはボクセル) で表されます。より多くのメッシュ要素を使用すると、より正確な結果が得られますが、シミュレーション時間も大幅に増加します。適切なバランスを見つけることが重要です。

初期シミュレーションでは、「迅速かつダーティな」結果を得るために、大きなボクセルを使用して最初の粗いシミュレーションを起動すると興味深い場合があります。このようなシミュレーションにより、プリントの主な変形領域を数秒または数分で取得できるようになります。それほど費用はかからず、より正確なシミュレーション (より小さいボクセル) が必要かどうかを判断するのに役立ちます。

素材とプリントのパラメータ

部品が離散化されたら、材料特性を選択する必要があります。不正確なデータは誤ったシミュレーション結果を生成するため、材料特性の定義はおそらくシミュレーション プロセスで最も重要なステップです。

ほとんどのエディターは独自のマテリアル ライブラリを提供しており、これは作業を始めるのに非常に役立ちます。

どちらの場合も、おそらくシミュレーションに完全には適合していません。どのシミュレーション ソフトウェアでも、独自のマテリアルを変更または作成して、最も正確なシミュレーションを生成できます。これには材料科学の専門知識が正しく行われる必要があるため、経験の浅いユーザーにはお勧めできません。

キャリブレーション

一部のシミュレーション ソフトウェアでは、特定の材料および特定の機械で印刷された試験片に基づいて材料特性を校正できます。このようにして、より正確な材料特性が特定され、より正確なシミュレーション結果が得られます。

経験則

• サポート生成前にシミュレーションを行って、パーツの形状を改善し、サポートの設計を支援します。
• サポート生成後にシミュレーションを行って精度を検証し、リコータの干渉を確認する
• まず、大きなボクセルを使用して簡単なシミュレーションを実行し、より大きな変形が発生している領域を特定します。次に、メッシュを調整して結果の精度を向上させます。
• 熱蓄積の問題を解決すると機械的変形の問題も解決できる可能性があるため、時間を節約するために機械的な解決策を使用せずに温度をシミュレーションします。
• パフォーマンスを高速化するにはクラウドベースのシミュレーション ソフトウェアを優先しますが、機密保持ポリシーに準拠するために必要に応じてローカル ソルバーを使用します。

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