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 металлической СЛС/SLM 3D-печати, а также делимся советами, как с их помощью можно увеличить эффективность аддитивного производства.

Введение

Ежегодно аддитивные технологии внедряют и используют в производстве все больше компаний, что связано с появлением общедоступных стандартов и методик конструкторско-технологической подготовки деталей, наработками в исследовании физико-механических характеристик «аддитивных» материалов, отработкой процедур сертификации 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 аддитивных технологий 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). Приведенное краткое описание 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. 
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, это 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

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 сэндвич-панели 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 аддитивных технологий 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, 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.

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, изменить геометрию детали для улучшения ее технологичности на ранних стадиях проектирования. 

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.

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.

Отображение дефекта типа "коробление заготовки"

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. 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 другие. Определение подходящего способа для снижения рисков разрушения поддержек или заготовки значительно упрощается с использованием программ для моделирования СЛС процесса.

Отображение дефекта типа "разрушение поддержек" [11]

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.

Отображение дефекта типа "удар/взаимодействие с рекоутером"

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.

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

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 экономическую часть. 

Этапы моделирования СЛС процесса в технологической подготовке аддитивного произодства

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 100.000 рублей. Соответственно каждый производственный брак или ошибка приносит убыток в 100.000 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

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