3D-printsimulaties Inzetten voor Superieure Kwaliteit en Nauwkeurigheid

Leer over de voordelen en de huidige stand van zaken van 3D-printsimulaties. Dit artikel beschrijft waarom, wat en hoe u simulaties in 3D-printen gebruikt en geeft tips om u op weg te helpen.

Inleiding

Het simuleren van het fabricageproces wordt langzaam een standaard onderdeel van de 3D-printworkflow. 3D-printsimulaties helpen de complexe thermomechanische fenomenen die plaatsvinden tijdens productie te begrijpen en visualiseren, wat resulteert in de productie van hoge-kwaliteit, hoge-nauwkeurigheid delen.

Dit is vooral belangrijk voor hoge-waarde componenten geproduceerd met state-of-the-art 3D-printprocessen, waar ontwerpiteraties (een defecte print weggooien) zeer duur zijn in termen van zowel materiaalkosten als productietijd.

Simulaties van het 3D-printproces mogen niet verward worden met de meer gangbare mechanische FEA-simulaties: De laatste helpt de mechanische prestaties van een deel onder bepaalde condities te evalueren die gerelateerd zijn aan zijn functie (belasting, vervorming, temperatuur, etc.), terwijl de eerste helpt het resultaat van het 3D-printproductieproces te voorspellen, laag voor laag en onder bepaalde procesparameters.

In dit artikel presenteren we eerst de belangrijkste voordelen van het simuleren van elk van de 3D-printprocessen en bekijken we daarna de details van het draaien van een succesvolle simulatie, met handige tips om u op weg te helpen.

Waarom simulaties in 3D-printen gebruiken?

Het simuleren van het 3D-printproces is zeer waardevol, omdat het helpt om:

• Printfouten en afkeuring van delen om geometrische redenen te voorkomen, wat tijd bespaart en de algehele kosten verlaagt.

• Het risico van productie te evalueren en aanwijzingen te geven om de kans op falen te mitigeren.

• De fysica van het productieproces te begrijpen.

• De microstructurele kenmerken van het einddeel te voorspellen.

• Productie te optimaliseren om productiesnelheid te verbeteren, nabehandelingsoperaties te reduceren of nauwkeurigheid te verbeteren door deel- en supportvervorming te reduceren.

U kunt de simulatie uitvoeren voor of na het genereren van de supportstructuren:

• Voor supportgeneratie helpen simulateresultaten kritieke gebieden van significante vervorming of interne spanning tijdens productie te identificeren. De ontwerper kan dan aangepaste supportstructuren toevoegen om de vervorming te minimaliseren, de printoriëntatie wijzigen om de gebieden van hitte-accumulatie te veranderen of de geometrie van het 3D-model wijzigen om de kwaliteit van het eindresultaat te verbeteren.

• Na supportgeneratie helpen simulaties het productierisico te minimaliseren (bijvoorbeeld door recoater-interferentie), ervoor te zorgen dat de afmetingen van het einddeel binnen een gespecificeerde tolerantiegrens liggen en de impact van verschillende printparameters te evalueren (bijvoorbeeld door geoptimaliseerde parameters voor productie te vergelijken met geoptimaliseerde parameters voor nauwkeurigheid).

In beide gevallen helpen simulaties het risico te reduceren dat geassocieerd is met hoge-waarde productie en de productiviteit van hoog-volume 3D-printen te verbeteren, wat weken aan productietijd en duizenden dollars aan ontwikkelings- en productiekosten bespaart.

Welke 3D-printprocessen simuleren?

Simulaties zijn meest relevant voor hoge-waarde en hoge-precisie 3D-printen. Bovendien zijn de meest populaire hedendaagse 3D-printsimulatiepakketten gebaseerd op metaallas-simulatie-solvers. Daarom worden simulaties vaker gebruikt met metaal 3D-printen.

Echter, alle hoofdbare 3D-printprocessen kunnen gesimuleerd worden en hier is waarom:

• SLM/DMLS: SLM en DMLS zijn de oudste en meest volwassen technologieën onder metaal 3D-printprocessen en daarom richten veel softwarepakketten zich primair op hen. Omdat de smelttemperaturen van metalen hoger zijn dan de polymere sinteringtemperaturen, zijn de thermomechanische constraints in SLM/DMLS-delen het meest belangrijk.

• EBM: EBM is een recentere metaal 3D-printtechnologie vergeleken met SLM/DMLS en slechts enkele softwarepakketten bieden oplossingen voor het. Simulaties in EBM kunnen helpen hitte-accumulatiegebieden te identificeren gegenereerd door de elektronenbundel.

• FDM: Het hoofdprobleem bij FDM is vervorming (warping), wat ontstaat door differentiële afkoeling van het geëxtrudeerde thermoplastische materiaal. Simulatie kan helpen controleren of het deel herbouwd moet worden of of een brim toegevoegd moet worden om de hechting aan het platform te verhogen.

• SLA/DLP: In SLA en DLP is het hoofdprobleem krullen (curling), wat vergelijkbaar is met warping. Er bestaan niet veel software-oplossingen om het SLA-printproces op dit moment te simuleren.

• SLS: In SLS zijn supportstructuren niet vereist, maar zones van thermische accumulatie kunnen in de build verschijnen, wat resulteert in slechte oppervlaktegladheid of vervorming. Simulatie kan helpen deze gebieden te identificeren.

Simulatie-uitvoer & resultaten

Temperatuurdistributie

De temperatuurgradiënt is de oorzaak van alle mechanische fenomenen die tijdens een build plaatsvinden.

De temperatuurgradiënt kan soms alleen berekend worden, zonder enige mechanische vervorming. Het is doorgaans sneller dan een volledige simulatie en het oplossen van hitte-accumulatieproblemen kan tegelijkertijd de mechanische vervormingsproblemen oplossen.

Temperatuurgradiëntdistributie van een gediscretiseerd model (SLM/DMLS) in Netfabb. Met dank aan Poly-Shape

Vervorming

Ervan uitgaande dat de echte mechanische eigenschappen van het materiaal bekend zijn, kan de vervorming van het deel tijdens productie worden berekend.

De richting van de vervorming is meestal correct ongeacht welke simulatieparameters gebruikt worden, maar de amplitude van de vervorming hangt nauw samen met de grootte van het simulatiemesh: een fijner mesh levert nauwkeurigere resultaten op, maar vereist meer tijd om te draaien.

Vervormingsvectoren van een model (SLM/DMLS) in Netfabb. Met dank aan Poly-Shape

Recoater-interferentie

In poederbedtechnologieën (zoals SLS en SLM/DMLS), als de vervorming langs de Z-as groter is dan de laagdikte, kan de recoater in contact komen met het deel, het wegvegen en een falen veroorzaken. In sommige simulatiepakketten kunt u de hoogte van de recoater-tolerantie definiëren en de software waarschuwt u als een vervorming langs de Z-as die drempel overschrijdt.

Nabehandelingsstappen

De primaire focus van 3D-printsimulatiepakketten is de berekening van thermomechanische fenonen die tijdens de fabricage van een deel plaatsvinden. Echter, andere problemen kunnen ook in latere stappen van het productieproces verschijnen.

Tijdens het losmaken van het deel van het build-platform of het verwijderen van de supportstructuren, kan de residuele spanning uit het productieproces het deel laten vervormen. Warmtebehandelingen kunnen helpen de interne spanning te verlagen. Sommige simulatiepakketten laten u deze nabehandelingsstappen simuleren en helpen evalueren of een warmtebehandeling noodzakelijk is (of zelfs effectief).

Lijst van simulatie-software

Discretisatie

De eerste stap van een goede simulatie is de correcte discretisatie van het deelvolume.

In tegenstelling tot reguliere mechanische simulatie, die conformal meshing met tetraëders gebruikt, gebruiken de meeste 3D-printsimulatiepakketten voxelizatie. Het 3D-volume van het deel wordt voorgesteld door kleine kubusjes (voxels), op een vergelijkbare manier als een 2D-afbeelding op een pc-monitor voorgesteld wordt door vierkante pixels. Het gebruiken van meer meshing-elementen levert nauwkeurigere resultaten op, maar verhoogt de simulatietijd aanzienlijk. Het vinden van de juiste balans is cruciaal.

Voor een initiële simulatie kan het interessant zijn om eerst een grove simulatie te draaien, met grote voxels, om "quick and dirty" resultaten te verkrijgen. Zo'n simulatie zou u in seconden of minuten de hoofdvervormingsgebieden van uw print moeten laten zien. Het kost niet veel en kan helpen beslissen of een nauwkeurigere simulatie (met kleinere voxels) noodzakelijk is.

Materiaal & printparameters

Eenmaal het gediscretiseerd, moet u de materiaaleigenschappen selecteren. Het definiëren van de materiaaleigenschappen is waarschijnlijk de meest cruciale stap in het simulatieproces, want onnauwkeurige data zal foute simulateresultaten produceren.

Meeste editors leveren hun eigen materiaalbibliotheek, wat erg nuttig kan zijn om op weg te komen.

In beide gevallen zijn ze waarschijnlijk niet perfect aangepast voor simulaties. Elk simulatiepakket laat u materiaal wijzigen of uw eigen materialen creëren om de meest nauwkeurige simulaties te genereren. Dit vereist expert materiaalkennis om correct te doen en wordt niet aanbevolen voor onervaren gebruikers.

Calibratie

Sommige simulatiepakketten laten u de materiaaleigenschappen calibreren op basis van testspecimens geprint in een specifiek materiaal en op een specifieke machine. Op deze manier worden nauwkeurigere materiaaleigenschappen geïdentificeerd, wat resulteert in nauwkeurigere simulateresultaten.

Vuistregels

• Simuleer voor supportgeneratie om deelgeometrie te verbeteren en te helpen met het ontwerp van supports.
• Simuleer na supportgeneratie om nauwkeurigheid te valideren en te controleren op recoater-interferentie.
• Eerst een snelle simulatie draaien met grote voxels om gebieden van grotere vervorming te identificeren. Vervolgens het mesh verfijnen om de nauwkeurigheid van de resultaten te verbeteren.
• Simuleer temperatuur zonder mechanische resolutie om tijd te besparen, aangezien het oplossen van hitte-accumulatieproblemen ook mechanische vervormingsproblemen kan oplossen.
• Voorkeur voor cloud-gebaseerde simulatie-software voor snellere prestaties, maar gebruik lokale solvers indien nodig om confidentialiteitsbeleid te voldoen.

Essentiële Bonus: Download gratis de Design Rules for 3D-printen poster in hoge resolutie, vol met actionable richtlijnen voor de 6 grootste 3D-printprocessen.

Meer bronnen voor ingenieurs

DFM-tips voor 3D-geprinte delen met dunne wanden

Lees artikel

Wat is under-extrusion bij 3D-printen?

Lees artikel

FDM vs. SLA 3D-printen

Lees artikel

De snelste 3D-printtechnieken

Lees artikel

Wanneer 3D-printen vs. spuitgieten

Lees artikel

3D-printen voor industriële doeleinden

Lees artikel

Wat is MJF (HP's Multi Jet Fusion) 3D-printen?

Lees artikel

Wat is rapid prototyping?

Lees artikel

Wat is Binder Jetting 3D-printen?

Lees artikel

Simulaties in 3D-printen

Lees artikel

Wat is de juiste 3D-printer voor prototyping? 3D-printprocessen vergeleken

Lees artikel

Wat is metaal 3D-printen en hoe werkt het?

Lees artikel

DFM-tips voor 3D-geprinte delen met dunne wanden

Leer minimum wanddikte-eisen voor FDM, SLA, MJF en SLS 3D-printen. Ontdek ontwerptips om dunnewandige delen te versterken en veelvoorkomende fouten te voorkomen.

Lees artikel

Wat is under-extrusion bij 3D-printen?

Leer wat under-extrusion bij 3D-printen is, waarom het gebeurt, hoe u het oplost en hoe u het in toekomstige prints voorkomt.

Lees artikel

FDM vs. SLA 3D-printen

Of u nu prototypet of eindgebruiksdelen produceert, de keuze tussen FDM en SLA kan kosten, ontwerpvrijheid en algehele kwaliteit bepalen. FDM staat bekend om betaalbaarheid en toegankelijkheid, terwijl SLA vaak wint op detail en oppervlakte-afwerking. In deze gids verkennen we beide technologieën, zodat u de juiste keuze kunt maken voor uw project.

Lees artikel

De snelste 3D-printtechnieken

Bij 3D-printen is snelheid geen luxe – het is vaak de belangrijkste factor voor ingenieurs. Processen als binder jetting en DLP breken records in snelheid, terwijl SLS en FDM efficiëntie en complexiteit balanceren voor functionele delen. Leer meer in dit kennisbankartikel over hoe u met snelheid en precisie 3D-print.

Lees artikel

Wanneer 3D-printen vs. spuitgieten

Leer wat u moet overwegen bij de keuze tussen 3D-printen en spuitgieten, de voordelen van elke productiemethode, en meer.

Lees artikel

3D-printen voor industriële doeleinden

Leer over de voor- en nadelen van verschillende methoden van industriële 3D-printen, veelvoorkomende materialen, en meer.

Lees artikel

Wat is MJF (HP's Multi Jet Fusion) 3D-printen?

Multi Jet Fusion (MJF) is een 3D-printproces voor het bouwen van prototyping en eindgebruiksdelen snel. Dit artikel legt uit hoe MJF werkt en de belangrijkste voordelen.

Lees artikel

Wat is rapid prototyping?

Rapid prototyping gebruikt 3D computer-aided design (CAD) en productieprocessen om snel 3D-delen of assemblages te ontwikkelen voor onderzoek en ontwikkeling en/of producttesten.

Lees artikel

Wat is Binder Jetting 3D-printen?

In deze introductie tot Binder Jetting 3D-printen dekken we de basisprincipes van de technologie. Na het lezen van dit artikel zult u de fundamentele mechanica van het Binder Jetting-proces begrijpen en hoe deze zich verhouden tot de voordelen en beperkingen.

Lees artikel

Simulaties in 3D-printen

Leer over de voordelen en de huidige stand van zaken van 3D-printsimulaties. Dit artikel beschrijft waarom, wat en hoe u simulaties in 3D-printen gebruikt en geeft tips om u op weg te helpen.

Lees artikel

Wat is de juiste 3D-printer voor prototyping? 3D-printprocessen vergeleken

Welk 3D-printproces is optimaal voor prototyping? Dit artikel verkent de beste 3D-printers voor de prototyping-fase van productontwikkeling, inclusief ontwerpadvies om het meest uit elke productietechnologie te halen.

Lees artikel

Wat is metaal 3D-printen en hoe werkt het?

Metaal 3D-printen is een additieve productieproces gebruikt om metaaldelen direct te bouwen vanuit een digitaal model. Dit overzicht legt uit hoe selective laser melting (SLM) en direct metal laser sintering (DMLS) werken, en hoe deze processen verband houden met de belangrijkste voordelen en beperkingen voor ingenieurscomponenten.

Lees artikel

Klaar om uw CAD-bestand om te zetten in een custom deel? Upload uw ontwerpen voor een gratis, direct offerte.

Direct offerte aanvragen