Entrevista experta:Tecnólogo jefe de ANSYS sobre cómo lograr el éxito en la impresión 3D en metal con simulación

La impresión 3D de metal puede ser un negocio complicado. Con problemas potenciales que incluyen distorsión térmica, tensiones residuales, agrietamiento y deformación, el proceso de impresión de metales a menudo es difícil de predecir, y mucho menos de controlar. Aquí es donde entra en juego el software de simulación.

El software de simulación se puede utilizar para diseñar y simular piezas y procesos metálicos, con el objetivo de minimizar las fallas de impresión en la etapa de diseño, antes de que una pieza se envíe a imprimir.

Una empresa que busca encabezar el mercado de software de simulación de metales es ANSYS . La empresa de mil millones de dólares, famosa por su software de simulación de ingeniería, ha entrado en la esfera de la fabricación aditiva con su Additive Suite . software, una serie de simulación de metales y herramientas de diseño avanzadas.

Junto con una serie de adquisiciones estratégicas que incluyen la empresa de simulación de metales, 3DSIM, y la empresa de materiales, Granta Design, ANSYS está tomando medidas activamente para expandir sus capacidades de simulación para la impresión 3D de metales.

Esta semana, hablamos con Dave Conover, jefe de tecnología de fabricación aditiva de ANSYS, para analizar cómo la empresa está ayudando a los ingenieros a navegar por el mundo de la impresión 3D en metal, el estado actual del mercado de la impresión 3D en metal y cómo las empresas pueden comenzar con el tecnología.

¿Podría contarnos un poco sobre ANSYS y los problemas que está resolviendo?

ANSYS es un proveedor de software de simulación para ingeniería mecánica. Históricamente, nuestros clientes han utilizado nuestro software para simular cómo va a funcionar un producto en la vida real.

Pero con la llegada de la fabricación aditiva, vimos que no solo existía la necesidad de simular el producto. y cómo se utilizará, pero también para simular el proceso en sí, debido a la naturaleza del proceso de fabricación aditiva. Esto incluye observar cosas como la distorsión de la pieza y la posible fractura y agrietamiento.

Entonces, como parte de nuestro continuo de diseño, queríamos explorar cómo simular mejor ese proceso aditivo.

Ahora proporcionamos herramientas para aditivos en términos de simulación de procesos y también estamos más involucrados con el elemento de diseño. Esto incluye el diseño de las propiedades de los aditivos, con herramientas como la optimización de la topología, que es el proceso de dejar que una computadora dirija el diseño de una pieza en función de sus requisitos funcionales.

También miramos cosas como estructuras de celosía, que no se pueden producir de otra manera que con aditivos.

¿Podría darnos una idea más profunda del conjunto de complementos de ANSYS y cómo funciona el software?

Por supuesto. En general, las soluciones que ofrecemos están segmentadas en tres áreas.

El primero está desarrollado para el operador de la máquina o el ingeniero de diseño, que necesita utilizar una máquina para imprimir una pieza. Necesitan una herramienta que les pueda dar una idea rápida de la distorsión que se producirá en la construcción y ofrecer formas de explicar esa distorsión, lo que se conoce como compensación.

Entonces, la primera solución que tenemos es una herramienta llamada Impresión aditiva . Está dirigido al operador de la máquina que recibe un archivo STL del grupo de diseño y cuyo trabajo es imprimirlo correctamente.

En segundo lugar, también proporcionamos herramientas para el equipo de diseño, un grupo que históricamente ha utilizado nuestros productos para ver cómo se comportará una pieza en la realidad. Pero ahora les hemos proporcionado las herramientas para simular también el proceso, de modo que puedan diseñar una pieza por adelantado para la fabricación aditiva.

La tercera solución que ofrecemos se llama Ciencia aditiva . Esta es una herramienta para científicos e ingenieros de materiales que están diseñando el proceso. Necesitan comprender las máquinas y observar cosas como qué configuraciones se requieren para que una máquina obtenga una buena construcción, de modo que tengamos una construcción que no tenga mucha porosidad y tenga la microestructura correcta necesaria para obtener el rendimiento que deseamos. quiero de una parte.

Así que esas son las tres soluciones:una para las personas que diseñan una pieza para aditivo, otra para las personas que manejan las máquinas y, finalmente, una para quienes intentan averiguar los parámetros óptimos en la máquina en para obtener una construcción exitosa.

¿Hay industrias específicas que se estén beneficiando más de su software de simulación?

Uno de los primeros en adoptarlo es sin duda el aeroespacial.

Hemos visto un interés temprano aquí debido a las ofertas de AM aligeradas y la necesidad de la industria de producir estas piezas complejas, ligeras y multifuncionales.

La biomedicina es también otra área que tiene un interés creciente en la AM de metales.

Pero realmente, el interés en la impresión 3D de metal se está expandiendo ahora a muchas otras industrias que buscan la tecnología para obtener una ventaja competitiva o para reducir los costos de la impresión única en su tipo, productos de lotes pequeños que se están desarrollando en la actualidad.

Ha mencionado el interés del sector biomédico en la AM de metales. ¿Cómo utiliza la tecnología el sector biomédico y dónde encaja la simulación?

El área de aplicación principal son las prótesis y los implantes, que generalmente están hechos de metal. Aquí, la personalización es clave. Está haciendo uno o un lote pequeño de ciertos tamaños que serán específicos para el paciente. Con el aditivo, esto se puede hacer muy fácilmente:es simplemente un caso de hacer un diseño específico para el implante, prótesis u otro dispositivo médico.

Por supuesto, el problema que tiene con el proceso del metal es que terminas con distorsión. La parte que se ha diseñado y la parte que sale de la impresora no son necesariamente la misma debido a las distorsiones térmicas que ocurren durante el proceso de construcción.

Tener en cuenta eso y ser capaz de revertir esas distorsiones es importante. La simulación garantiza que cuando diseñe la pieza y cuando esté impresa, pueda distorsionarla en la forma que desee, de modo que se ajuste al rostro de la persona, al implante de cadera o donde sea necesario en un procedimiento médico.

¿Existe alguna limitación para el software de simulación existente, algo que la tecnología no pueda hacer?

Bueno, la fabricación real es un proceso muy complejo; Están sucediendo muchas cosas, con láseres que golpean estas partículas de polvo. Es difícil incluso comprender la física, y mucho menos explicarla en el software de simulación.

Por lo tanto, todo el software de simulación actual tiene algún nivel de suposiciones incorporadas que limitan la precisión que puede ofrecer. Ese es probablemente el mayor inconveniente en este momento:no pueden ser tan precisos como le gustaría que fueran.

Dicho esto, sin duda es un campo en evolución y hay un montón de investigación en curso para comprender el proceso y poder idear metodologías para simularlo con mayor precisión. Estamos involucrados en muchos proyectos de investigación en todo el mundo, tratando de hacer avanzar esto para obtener una mejor precisión.

El aspecto único de la impresión 3D con metales es que está haciendo el material a medida que realiza la pieza. Es muy diferente a cualquiera de los otros procesos de fabricación.

Por lo tanto, comprender cómo se controlan los parámetros del proceso para hacer que el material salga como lo desea al final, con la resistencia a la fatiga adecuada y la porosidad y microestructura adecuadas, es algo en lo que estamos trabajando. para permitirle observar ese nivel de detalle.

¿Qué tan lejos diría que estamos de eso?

Estamos bastante cerca. Saldremos el próximo año con productos que podrán hacer este tipo de simulación.

Si bien tenemos que hacer mucha validación y calibración para ser efectivos, estamos seguros de que entendemos el proceso lo suficientemente bien como para hacerlo. Es solo cuestión de tomarse el tiempo para desarrollar el software.

ANSYS adquirió la empresa de simulación de metales 3DSIM en 2017. ¿Qué despertó el deseo en ese momento de profundizar en la fabricación aditiva?

Simplemente, nuestros clientes se estaban sumergiendo en la tecnología. Nos dimos cuenta de que teníamos que apoyarlos en sus esfuerzos:usan nuestras herramientas para diseñar productos y ahora se están moviendo hacia la fabricación aditiva. Necesitaban las herramientas que les ayudaran a diseñar esos productos con la tecnología.

También nos dimos cuenta desde el principio de que no solo necesitaban ayuda para diseñar productos, también necesitaban ayuda para comprender la tecnología y el proceso en sí, cosas como distorsiones y estrés residual, por ejemplo.

Cuando comenzamos a explorar la oportunidad, sabíamos que no íbamos a poder desarrollar una solución orgánicamente nosotros mismos en el corto plazo, especialmente en lo que respecta a las microestructuras.

Entonces encontramos 3DSIM, una empresa que ya había comenzado a embarcarse en esta área. Habían desarrollado una gran cantidad de tecnología, tenían un gran equipo de personas, y era algo natural para nosotros en ese momento.

ANSYS también ha adquirido recientemente Granta Design, con sede en Cambridge. ¿Qué impacto tendrá esto en sus capacidades de AM?

Granta Design es esencialmente una empresa de información material. Incluso se podría decir que son el PLM de los datos de materiales, ya que administran los datos de materiales para las empresas.

Donde nos cruzamos en aditivo es que hay muchos datos asociados con el proceso de AM, como máquinas configuración, por ejemplo. ANSYS y Granta Design vieron la necesidad de ayudar a las empresas a controlar y comprender esos datos de volumen.

Por ejemplo, un área en la que hemos estado colaborando es la capacidad de administrar la configuración de la máquina. Esto significa que cuando una empresa va y realiza una simulación de impresión, la configuración de la máquina que utiliza en sus impresoras se puede copiar a la base de datos para descargarla fácilmente y ponerla en el programa de simulación.

De manera similar, con Granta administrando los datos del material, esos datos pueden ingresarse en el software de simulación. Esto le permite estar seguro de que está utilizando el material validado correcto para esa empresa y para ese material. Entonces, estamos haciendo lo mismo en el lado aditivo:administrar esos datos.

¿Hay otras asociaciones en proceso de las que pueda hablar?

Ciertamente, siempre buscamos construir el ecosistema en todo nuestro flujo de productos. Actualmente nos estamos enfocando en un par de áreas.

Uno es expandir nuestro espacio de física. Recientemente, hemos comprado una empresa de óptica, ya que pasamos a la simulación óptica, o simulación de luz, por así decirlo. Es un área muy importante para los vehículos autónomos, por ejemplo, en la que estamos muy involucrados.

En el espacio aditivo, también estamos trabajando en la construcción de ese ecosistema. Siempre estamos mirando cómo nuestros clientes usan nuestros productos y dónde están sus puntos débiles. A partir de ahí, intentamos ver si podemos ayudar a ofrecer una solución, ya sea algo que podamos hacer de forma orgánica o mediante una adquisición o asociación.

En el futuro, creo que definitivamente habrá más en el futuro porque con AM, hay tantos jugadores y piezas que una empresa debe reunir para poder realmente lograr un proceso de fabricación eficaz. Entonces, si podemos proporcionar tantas de esas soluciones como sea posible para que ese flujo de trabajo sea lo más simple posible, todos se beneficiarán.

¿Qué consejo le daría a una empresa que desee adoptar la impresión 3D en metal?

Sin duda, es el caso de que las grandes empresas tienen los recursos y la capacidad para sumergirse en la tecnología. Pero es un poco más difícil si eres una empresa pequeña.

Dicho esto, hay algunas cosas que puede hacer.

Una de las primeras cosas que debe averiguar es qué partes e ideas puede producir que tengan sentido comercial. Muchas oficinas de servicios de impresión 3D tendrán esa experiencia y pueden asesorar y fabricar piezas por usted.

El uso de estos proveedores de servicios es una forma de mojarse los pies con la tecnología. Entonces, en lugar de invertir en máquinas e intentar comprenderlas, lo cual es un gran esfuerzo, todo lo que necesita hacer es crear algunos diseños y que un proveedor externo los imprima por usted.

También es importante reconocer que no solo tomará una máquina, la conectará y comenzará a imprimir desde el primer día. Llevará algún tiempo desarrollar la experiencia y la comprensión de la tecnología. Ciertamente, hay muchos cursos que puede tomar, mucha experiencia y consultorías que también puede aprovechar.

Por último, también es cuestión de paciencia. Ciertamente, las máquinas están mejorando y, en general, hay una mejor comprensión de la industria que hace cinco años. Eventualmente, queremos llegar a un punto en el que todo lo que tenemos que hacer es simplemente conecte las máquinas como lo haría en un proceso de fabricación normal. Creo que llegaremos allí con la impresión 3D, pero aún no lo hemos logrado. Por lo tanto, llevará algún tiempo desarrollar aún más la tecnología.

¿Cómo ve el estado actual de la impresión 3D en metal?

Ha sido realmente interesante verlo evolucionar. Definitivamente hubo mucho entusiasmo al principio:la curva de entusiasmo de Gartner habla de esto, especialmente con los primeros en adoptar.

Luego vino la fase de calma en la que la industria reconoció que no sería así. tan fácil como parecía al principio.

Pero creo que hemos pasado por la fase de emoción y hemos pasado por la fase de calma, ahora. Las expectativas son mucho más realistas y hay una mejor comprensión de lo que se puede hacer con aditivo y qué tan rápido se puede adoptar.

Creo que ahora estamos viendo un aumento:en los próximos años, espero que las ventas de impresoras 3D de metal continúen aumentando, quizás no tan agresivamente como lo hicieron en el primer año o dos. Pero veremos que la adopción mejorará constantemente en todas las industrias, no solo en las primeras, como la aeroespacial y la médica.

En otras palabras, definitivamente estamos sobre la joroba.

¿Qué desafíos cree que aún deben resolverse para acelerar la adopción de la tecnología?

Hay tantas pequeñas piezas. Mencioné que las máquinas y la tecnología detrás de las máquinas aún necesitan madurar.

Otra pieza es comprender el flujo de trabajo y llevarlo a un proceso reglamentado que describe cómo pasamos del diseño a la producción y al posprocesamiento. Pero comprenderlo completamente llevará un poco más de tiempo.

Luego está la cuestión del posprocesamiento. Factores como ¿cómo tratamos con calor estas partes y cuándo las tratamos con calor? Se está trabajando mucho en esta área en este momento, ya que incluso estas cosas están tomando algo de tiempo para evolucionar y comprender.

En última instancia, todo el ecosistema de AM está fragmentado:hay muchas pequeñas soluciones y empresas que debe improvisar para crear un flujo de trabajo y una solución de extremo a extremo.

Esa consolidación deberá continuar. Creo que eso facilitará las cosas, especialmente para una empresa que no tiene la capacidad de comprar un montón de software y hardware diferentes para obtener una solución de extremo a extremo.

¿Alguna idea final?

Terminaría diciendo que estamos en un viaje con aditivo.

Todavía no hemos llegado a ese punto:las máquinas aún no han llegado, todavía no se ha comprendido todo el proceso. Pero lo emocionante es que somos llegar allí, gradualmente.

En ANSYS, estamos trabajando con clientes y proveedores y desarrollando iniciativas de investigación para promoverlo. Planeamos seguir evolucionando nuestras herramientas para mejorarlas. Y esperamos llegar al punto en el que sepamos exactamente cómo diseñar y construir para la fabricación aditiva, donde se convertirá en un proceso sencillo como lo es el mecanizado actual.

Para obtener más información sobre ANSYS y sus soluciones de simulación, visite:https://www.ansys.com/