Gebruikmaken van 3D-printsimulaties voor superieure kwaliteit en nauwkeurigheid

Leer meer over de voordelen en de huidige stand van zaken op het gebied van 3D-printsimulaties. Dit artikel beschrijft waarom, wat en hoe je simulaties kunt gebruiken bij 3D-printen en geeft tips om je op weg te helpen.

Introductie

Het simuleren van het fabricageproces wordt langzaamaan onderdeel van de 3D-printworkflow. 3D-printsimulaties helpen bij het begrijpen en visualiseren van de complexe thermomechanische verschijnselen die plaatsvinden tijdens de productie, wat resulteert in de productie van hoogwaardige, uiterst nauwkeurige onderdelen.

Dit is vooral belangrijk voor hoogwaardige componenten die zijn vervaardigd met behulp van het modernste 3D-printproces, waarbij ontwerpherhalingen (het weggooien van een defecte print) erg duur zijn in termen van zowel materiaalkosten als productietijd.

Simulaties van het 3D-printproces moeten niet worden verward met de meer gebruikelijke mechanische FEA-simulaties:de laatste helpt bij het evalueren van de mechanische prestaties van een onderdeel onder bepaalde omstandigheden die verband houden met zijn functie (belasting, vervorming, temperatuur enz.), terwijl de eerste helpt het resultaat van het 3D-printproductieproces laag voor laag en onder bepaalde procesparameters te voorspellen.

In dit artikel presenteren we eerst de belangrijkste voordelen van het simuleren van elk van de 3D-printprocessen en daarna gaan we dieper in op de details van het uitvoeren van een succesvolle simulatie, waarbij we enkele handige tips geven om u op weg te helpen.

Waarom simulaties gebruiken bij 3D-printen?

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

Voorkom afdrukfouten en onderdelen die zijn afgekeurd vanwege geometrische problemen, waardoor tijd wordt bespaard en de totale kosten worden verlaagd.

Evalueer het risico van de productie en geven tips om de kans op mislukking te verkleinen .

Begrijp de natuurkunde van het productieproces.

Voorspel de microstructurele kenmerken van het eindgedeelte.

Optimaliseer de productie om de productiesnelheid te verbeteren, nabewerkingen te verminderen of de nauwkeurigheid te verbeteren door het onderdeel te verminderen en vervorming te ondersteunen.

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

Voordat ondersteuning wordt gegenereerd, helpen simulatieresultaten bij het identificeren van kritieke gebieden met aanzienlijke vervorming of interne spanning tijdens de productie. De ontwerper kan vervolgens aangepaste ondersteuningsstructuren toevoegen om de vervorming te minimaliseren, de printoriëntatie wijzigen om de gebieden met warmteaccumulatie te wijzigen of de geometrie van het 3D-model aanpassen om de kwaliteit van het eindresultaat te verbeteren.

Na het genereren van ondersteuning helpen simulaties het risico te minimaliseren van productiefouten (bijvoorbeeld als gevolg van interferentie van de hercoater), zorg ervoor dat de afmetingen van het uiteindelijke onderdeel binnen een gespecificeerd tolerantiebereik liggen en evalueer de impact van verschillende printparameters (bijvoorbeeld door parameters die zijn geoptimaliseerd voor productie te vergelijken met parameters die zijn geoptimaliseerd voor nauwkeurigheid).

In beide gevallen helpen simulaties bij het verminderen van de risico's die gepaard gaan met hoogwaardige productie en om de productiviteit te verbeteren van 3D-printen in grote volumes, waardoor weken aan productietijd en duizenden dollars aan ontwikkelings- en productiekosten worden bespaard.

Welke 3D-printprocessen moeten worden gesimuleerd?

Simulaties zijn het meest relevant voor hoogwaardig en uiterst nauwkeurig 3D-printen. Bovendien zijn de populairste hedendaagse 3D-printsimulatiepakketten gebaseerd op simulatie-oplossers voor metaallassen. Simulaties worden dus vaker gebruikt bij 3D-printen van metaal.

Alle belangrijke 3D-printprocessen kunnen echter worden gesimuleerd en dit is de reden:

SLM/DMLS: SLM en DMLS zijn de oudste en meest volwassen technologieën onder de 3D-printprocessen voor metaal en daarom richten veel softwarepakketten zich daar primair op. Omdat de smelttemperaturen van metalen hoger zijn dan de sintertemperaturen van polymeer, zijn de thermomechanische beperkingen in SLM/DMLS-onderdelen het belangrijkst.

EBM: EBM is een recentere 3D-printtechnologie voor metaal vergeleken met SLM/DMLS en slechts enkele softwarepakketten bieden hiervoor oplossingen. Simulaties in EBM kunnen helpen bij het identificeren van de warmteaccumulatiegebieden die door de elektronenbundel worden gegenereerd.

FDM: Het belangrijkste probleem met FDM is kromtrekken, dat optreedt als gevolg van differentiële koeling van het geëxtrudeerde thermoplastische materiaal. Simulatie kan helpen bepalen of het onderdeel opnieuw ontworpen moet worden of dat er een rand moet worden toegevoegd om de hechting aan het platform te vergroten.

SLA/DLP :Bij SLA en DLP is het voornaamste probleem curling, wat vergelijkbaar is met kromtrekken. Er bestaan momenteel niet veel softwareoplossingen om het SLA-afdrukproces te simuleren.

SLS: Bij SLS zijn ondersteunende structuren niet vereist, maar er kunnen zones met thermische accumulatie in de constructie verschijnen, wat resulteert in een slechte oppervlaktegladheid of kromtrekken. Simulatie kan helpen deze gebieden te identificeren.

Simulatie-uitvoer en resultaten

Temperatuurverdeling

De temperatuurgradiënt is de hoofdoorzaak van alle mechanische verschijnselen die tijdens een bouw optreden.

De temperatuurgradiënt kan soms alleen worden berekend, zonder enige mechanische vervorming. Het is meestal sneller dan een volledige simulatie en het oplossen van de problemen met de warmteaccumulatie kan tegelijkertijd de mechanische vervormingsproblemen oplossen.

Temperatuurgradiëntverdeling van een gedecretiseerd 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 onderdeel tijdens de fabricage worden berekend.

De richting van de vervorming is doorgaans correct, ongeacht welke simulatieparameters worden gebruikt, maar de amplitude van de vervorming is sterk afhankelijk van de grootte van het simulatienetwerk:het gebruik van een fijner netwerk levert nauwkeurigere resultaten op, maar vergt meer tijd om te draaien.

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

Recoater-interferentie

Als bij poederbedtechnologieën (zoals SLS en SLM/DMLS) de vervorming langs de z-as groter is dan de laagdikte, kan de hercoater in contact komen met het onderdeel, waardoor het wordt weggevaagd en er een storing ontstaat. In sommige simulatiepakketten kunt u de hoogte van de recoater-tolerantie definiëren en zal de software u waarschuwen als een vervorming langs de z-as deze drempel overschrijdt.

Stappen na verwerking

De primaire focus van de 3D-printsimulatiepakketten ligt op de berekening van thermomechanische verschijnselen die optreden tijdens de fabricage van een onderdeel. Er kunnen echter ook andere problemen optreden in latere stappen van het productieproces.

Tijdens het losmaken van het onderdeel van het bouwplatform of het verwijderen van de ondersteunende structuren kan de restspanning van het fabricageproces ervoor zorgen dat het onderdeel vervormt. Warmtebehandelingen kunnen de interne stress helpen verlichten. Met sommige simulatiepakketten kunt u deze nabewerkingsstappen simuleren en helpen beoordelen of een warmtebehandeling noodzakelijk (of zelfs effectief) is.

Lijst met simulatiesoftware

Discretisatie

De eerste stap van een goede simulatie is de juiste discretisatie van het onderdeelvolume.

In tegenstelling tot reguliere mechanische simulatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van conforme meshing met tetraëders, maken de meeste 3D-printsimulatiesoftware gebruik van voxelisatie. het 3D-volume van het onderdeel wordt weergegeven door kleine kubussen (of voxels), op dezelfde manier als een 2D-beeld op een pc-monitor wordt weergegeven door vierkante pixels. Het gebruik van meer mesh-elementen levert nauwkeurigere resultaten op, maar verlengt ook aanzienlijk de simulatietijd. Het vinden van de juiste balans is essentieel.

Voor een eerste simulatie kan het interessant zijn om een eerste grove simulatie te lanceren, met grote voxels, om “quick and dirty” resultaten te verkrijgen. Een dergelijke simulatie zou u in staat moeten stellen om binnen enkele seconden of minuten de belangrijkste vervormingsgebieden van uw afdruk te verkrijgen. Het kost u niet veel en kan u helpen beslissen of een nauwkeurigere simulatie (met kleinere voxels) nodig is.

Materiaal- en printparameters

Zodra het onderdeel is gediscretiseerd, moet u de materiaaleigenschappen selecteren. Het definiëren van de materiaaleigenschappen is waarschijnlijk de meest cruciale stap in het simulatieproces, omdat onnauwkeurige gegevens verkeerde simulatieresultaten zullen opleveren.

De meeste editors bieden hun eigen materiaalbibliotheek, wat erg handig kan zijn om u op weg te helpen.

In beide gevallen zijn ze waarschijnlijk niet perfect aangepast voor simulaties. Met elke simulatiesoftware kunt u uw eigen materialen aanpassen of maken om de meest nauwkeurige simulaties te genereren. Dit vereist deskundige materiaalwetenschappelijke kennis om correct te worden uitgevoerd en het wordt niet aanbevolen voor onervaren gebruikers.

Kalibratie

Met sommige simulatiesoftware kunt u de materiaaleigenschappen kalibreren op basis van proefexemplaren die in een specifiek materiaal en op een specifieke machine zijn gedrukt. Op deze manier worden preciezere materiaaleigenschappen geïdentificeerd, wat resulteert in nauwkeurigere simulatieresultaten.

Vuistregels

• Simuleer vóór het genereren van ondersteuningen om de onderdeelgeometrie te verbeteren en om te helpen bij het ontwerp van ondersteuningen.
• Simuleer na het genereren van ondersteuning om de nauwkeurigheid te valideren en om te controleren op interferentie van de recoater.
• Voer eerst een snelle simulatie uit met grote voxels om gebieden met grotere vervorming te identificeren. Verfijn vervolgens de mesh om de nauwkeurigheid van de resultaten te verbeteren.
• Simuleer de temperatuur zonder mechanische resolutie om tijd te besparen, omdat het oplossen van problemen met de warmteaccumulatie ook mechanische vervormingsproblemen kan oplossen.
• Geef de voorkeur aan cloudgebaseerde simulatiesoftware voor snellere prestaties, maar gebruik indien nodig lokale oplossers om te voldoen aan het vertrouwelijkheidsbeleid.

Essentiële bonus: Download gratis de poster Ontwerpregels voor 3D-printen in hoge resolutie, vol praktische richtlijnen voor de zes belangrijkste 3D-printprocessen.

Meer bronnen voor ingenieurs

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

Lees artikel

Wat is onder-extrusie bij 3D-printen?

Lees artikel

FDM versus SLA 3D-printen

Lees artikel

De snelste 3D-printtechnieken

Lees artikel

Wanneer 3D-printen gebruiken versus wanneer spuitgieten gebruiken

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 vergelijken

Lees artikel

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

Lees artikel

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

Leer de minimale wanddiktevereisten voor FDM, SLA, MJF en SLS 3D-printen. Ontdek ontwerptips om dunwandige onderdelen te versterken en veelvoorkomende storingen te voorkomen.

Lees artikel

Wat is onder-extrusie bij 3D-printen?

Ontdek wat onder-extrusie bij 3D-printen is, waarom dit gebeurt, hoe u dit kunt oplossen en hoe u dit bij toekomstige afdrukken kunt vermijden.

Lees artikel

FDM versus SLA 3D-printen

Of u nu prototypes maakt of onderdelen voor eindgebruik produceert, de keuze tussen FDM en SLA kan de kosten, ontwerpflexibiliteit en algehele kwaliteit bepalen. FDM staat bekend om zijn betaalbaarheid en toegankelijkheid, terwijl SLA vaak wint op detail- en oppervlakteafwerking. In deze gids verkennen we beide technologieën, zodat u de juiste oplossing voor uw project kunt vinden.

Lees artikel

De snelste 3D-printtechnieken

Als het om 3D-printen gaat, is snelheid niet alleen een luxe, maar vaak de belangrijkste factor voor ingenieurs. Processen zoals binder jetting en DLP zijn baanbrekend qua snelheid, terwijl SLS en FDM de efficiëntie en complexiteit voor functionele onderdelen in evenwicht brengen. Lees meer in dit kennisbankartikel over hoe u snel en nauwkeurig in 3D kunt printen.

Lees artikel

Wanneer 3D-printen gebruiken versus wanneer spuitgieten gebruiken

Ontdek waar u rekening mee moet houden bij het maken van een keuze tussen 3D-printen en spuitgieten, de voordelen van elke productiemethode en meer.

Lees artikel

3D-printen voor industriële doeleinden

Leer meer over de voor- en nadelen van verschillende methoden voor industrieel 3D-printen, materialen die veel worden gebruikt en meer

Lees artikel

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

Multi Jet Fusion (MJF) is een 3D-printproces voor het snel bouwen van prototypes en onderdelen voor eindgebruik. In dit artikel wordt uitgelegd hoe MJF werkt en wat de belangrijkste voordelen zijn.

Lees artikel

Wat is rapid prototyping?

Rapid prototyping maakt gebruik van 3D computer-aided design (CAD) en productieprocessen om snel 3D-onderdelen of -assemblages te ontwikkelen voor onderzoek en ontwikkeling en/of producttests.

Lees artikel

Wat is Binder Jetting 3D-printen?

In deze inleiding tot Binder Jetting 3D-printen behandelen we de basisprincipes van de technologie. Na het lezen van dit artikel begrijpt u de fundamentele werking van het Binder Jetting-proces en hoe deze zich verhouden tot de voordelen en beperkingen ervan.

Lees artikel

Simulaties in 3D-printen

Leer meer over de voordelen en de huidige stand van zaken op het gebied van 3D-printsimulaties. Dit artikel beschrijft waarom, wat en hoe je simulaties kunt gebruiken bij 3D-printen en geeft tips om je op weg te helpen.

Lees artikel

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

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

Lees artikel

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

Metaal 3D-printen is een additief productieproces dat wordt gebruikt om metalen onderdelen rechtstreeks vanuit een digitaal model te bouwen. In dit overzicht wordt uitgelegd hoe selectief lasersmelten (SLM) en direct metal laser sinteren (DMLS) werken, en hoe deze processen zich verhouden tot de belangrijkste voordelen en beperkingen voor technische componenten.

Lees artikel

Klaar om uw CAD-bestand om te zetten in een onderdeel op maat? Upload uw ontwerpen voor een gratis, directe offerte.

Ontvang direct een offerte