Aprovechando las simulaciones de impresión 3D para lograr una calidad y precisión superiores

Conozca los beneficios y el estado actual del arte de las simulaciones de impresión 3D. Este artículo describe por qué, qué y cómo utilizar simulaciones en la impresión 3D y ofrece consejos que le ayudarán a empezar.

Introducción

La simulación del proceso de fabricación se está convirtiendo poco a poco en parte del flujo de trabajo de la impresión 3D. Las simulaciones de impresión 3D ayudan a comprender y visualizar los complejos fenómenos termomecánicos que tienen lugar durante la fabricación, lo que da como resultado la producción de piezas de alta calidad y precisión.

Esto es especialmente importante para componentes de alto valor fabricados mediante un proceso de impresión 3D de última generación, donde las iteraciones de diseño (descartar una impresión defectuosa) son muy costosas en términos de costo de material y tiempo de fabricación.

Las simulaciones del proceso de impresión 3D no deben confundirse con las simulaciones FEA mecánicas más comunes:esta última ayuda a evaluar el rendimiento mecánico de una pieza bajo ciertas condiciones relacionadas con su función (carga, deformación, temperatura, etc.), mientras que la primera ayuda a predecir el resultado del proceso de fabricación de impresión 3D, capa por capa y bajo ciertos parámetros del proceso.

En este artículo, primero presentamos los principales beneficios de simular cada uno de los procesos de impresión 3D y luego analizamos más de cerca los detalles de cómo ejecutar una simulación exitosa, brindándole algunos consejos útiles para comenzar.

¿Por qué utilizar simulaciones en la impresión 3D?

Simular el proceso de impresión 3D es muy valioso porque ayuda a:

Evitar fallos de impresión y piezas rechazadas por problemas geométricos, lo que ahorra tiempo y reduce el coste general.

Evaluar el riesgo de producción y dar consejos para mitigar la probabilidad de fallo .

Comprender la física del proceso de fabricación.

Predecir las características microestructurales de la parte final.

Optimizar la producción para mejorar la velocidad de fabricación, reducir las operaciones de posprocesamiento o mejorar la precisión reduciendo la deformación de la pieza y del soporte.

Puedes realizar la simulación antes o después de generar las estructuras de soporte:

Antes de la generación del soporte, los resultados de la simulación ayudan a identificar áreas críticas de deformación significativa o tensión interna durante la fabricación. Luego, el diseñador puede agregar estructuras de soporte adaptadas para minimizar la deformación, cambiar la orientación de la impresión para cambiar las áreas de acumulación de calor o modificar la geometría del modelo 3D para mejorar la calidad del resultado final.

Después de la generación de soporte, las simulaciones ayudan a minimizar el riesgo En caso de fallo de producción (por ejemplo, debido a interferencias del repintador), asegúrese de que las dimensiones de la pieza final se encuentren dentro de un rango de tolerancia especificado. y evaluar el impacto de diferentes parámetros de impresión (por ejemplo, comparando parámetros optimizados para producción versus parámetros optimizados para precisión).

En ambos casos, las simulaciones ayudan a reducir el riesgo asociado con la fabricación de alto valor y mejorar la productividad de impresión 3D de gran volumen, ahorrando semanas de tiempo de producción y miles de dólares en costos de desarrollo y producción.

¿Qué procesos de impresión 3D simular?

Las simulaciones son más relevantes para la impresión 3D de alto valor y alta precisión. Además, los paquetes de simulación de impresión 3D contemporáneos más populares se basan en solucionadores de simulación de soldadura de metales. Por lo tanto, las simulaciones se utilizan más comúnmente con la impresión 3D de metal.

Sin embargo, todos los procesos principales de impresión 3D se pueden simular y este es el motivo:

SLM/DMLS: SLM y DMLS son las tecnologías más antiguas y maduras entre los procesos de impresión 3D en metal y, por lo tanto, muchos paquetes de software se centran principalmente en ellas. Debido a que las temperaturas de fusión de los metales son más altas que las temperaturas de sinterización de los polímeros, las limitaciones termomecánicas en las piezas SLM/DMLS son las más importantes.

EBM: EBM es una tecnología de impresión 3D de metal más reciente en comparación con SLM/DMLS y solo unos pocos paquetes de software brindan soluciones para ello. Las simulaciones en EBM pueden ayudar a identificar las regiones de acumulación de calor generadas por el haz de electrones.

FDM: El principal problema con FDM es la deformación, que se produce debido al enfriamiento diferencial del material termoplástico extruido. La simulación puede ayudar a comprobar si es necesario rediseñar la pieza o si se debe agregar un borde para aumentar la adherencia a la plataforma.

SLA/DLP :En SLA y DLP el problema principal es la curvatura, que es similar a la deformación. No existen muchas soluciones de software para simular el proceso de impresión SLA en este momento.

SLS: En SLS, no se requieren estructuras de soporte, pero pueden aparecer zonas de acumulación térmica en la construcción, lo que resulta en una superficie pobre o deformada. La simulación puede ayudar a identificar estas áreas.

Salidas y resultados de la simulación

Distribución de temperatura

El gradiente de temperatura es la causa fundamental de todos los fenómenos mecánicos que ocurren durante una construcción.

A veces, el gradiente de temperatura se puede calcular solo, sin ninguna deformación mecánica. Generalmente es más rápido que una simulación completa y resolver los problemas de acumulación de calor podría al mismo tiempo resolver los problemas de deformación mecánica.

Distribución del gradiente de temperatura de un modelo descretizado (SLM/DMLS) en Netfabb. Cortesía de Poly-Shape

Deformación

Suponiendo que se conocen las verdaderas propiedades mecánicas del material, se puede calcular la deformación de la pieza durante la fabricación.

La dirección de la deformación suele ser correcta sin importar qué parámetros de simulación se utilicen, pero la amplitud de la deformación depende estrechamente del tamaño de la malla de simulación:usar una malla más fina producirá resultados más precisos, pero requiere más tiempo para ejecutarse.

Vectores de deformación de un modelo (SLM/DMLS) en Netfabb. Cortesía de Poly-Shape

Interferencia del recubridor

En las tecnologías de lecho de polvo (como SLS y SLM/DMLS), si la deformación a lo largo del eje z es mayor que el espesor de la capa, el recubridor puede entrar en contacto con la pieza, barriéndola y provocando una falla. En algunos paquetes de simulación, puede definir la altura de la tolerancia del recubridor y el software le avisará en caso de que una deformación a lo largo del eje z supere ese umbral.

Pasos posteriores al procesamiento

El objetivo principal de los paquetes de simulación de impresión 3D es el cálculo de los fenómenos termomecánicos que ocurren durante la fabricación de una pieza. Sin embargo, también pueden aparecer otros problemas en pasos posteriores del proceso de fabricación.

Durante el desprendimiento de la pieza de la plataforma de construcción o la eliminación de las estructuras de soporte, la tensión residual del proceso de fabricación puede hacer que la pieza se deforme. Los tratamientos térmicos pueden ayudar a aliviar el estrés interno. Algunos paquetes de simulación le permiten simular estos pasos de posprocesamiento y ayudan a evaluar si un tratamiento térmico es necesario (o incluso efectivo).

Lista de software de simulación

Discretización

El primer paso de una buena simulación es la correcta discretización del volumen de la pieza.

A diferencia de la simulación mecánica normal, que utiliza mallado conforme con tetraedros, la mayoría del software de simulación de impresión 3D utiliza voxelización. El volumen 3D de la pieza se representa mediante pequeños cubos (o vóxeles), de forma similar a como una imagen 2D en un monitor de PC se representa mediante píxeles cuadrados. El uso de más elementos de malla produce resultados más precisos, pero también aumenta significativamente el tiempo de simulación. Encontrar el equilibrio adecuado es clave.

Para una simulación inicial, puede ser interesante lanzar una primera simulación burda, con voxeles grandes, para obtener resultados “rápidos y sucios”. Esta simulación debería permitirle obtener en cuestión de segundos o minutos las principales áreas de deformación de su impresión. No le costará mucho y puede ayudarle a decidir si es necesaria una simulación más precisa (con vóxeles más pequeños).

Parámetros de material e impresión

Una vez que la pieza está discretizada, debe seleccionar las propiedades del material. Definir las propiedades del material es probablemente el paso más crucial en el proceso de simulación, ya que datos inexactos producirán resultados de simulación incorrectos.

La mayoría de los editores ofrecen su propia biblioteca de materiales, lo que puede resultar muy útil para empezar.

En ambos casos probablemente no estén perfectamente adaptados a las simulaciones. Cada software de simulación le permite modificar o crear sus propios materiales para generar las simulaciones más precisas. Esto requiere conocimientos expertos en ciencia de materiales para realizarse correctamente y no se recomienda para usuarios inexpertos.

Calibración

Algunos software de simulación le permiten calibrar las propiedades del material basándose en muestras de prueba impresas en un material específico y en una máquina específica. De esta manera, se identifican propiedades del material más precisas, lo que da como resultado resultados de simulación más precisos.

Reglas generales

• Simule antes de la generación de soportes para mejorar la geometría de la pieza y ayudar con el diseño de soportes.
• Simule después de la generación de soporte para validar la precisión y comprobar si hay interferencias en el recubridor.
• Primero ejecute una simulación rápida con vóxeles grandes para identificar áreas de mayor deformación. Luego refine la malla para mejorar la precisión de los resultados.
• Simule la temperatura sin resolución mecánica para ahorrar tiempo, ya que resolver los problemas de acumulación de calor también podría resolver los problemas de deformación mecánica.
• Prefiera software de simulación basado en la nube para un rendimiento más rápido, pero utilice solucionadores locales si es necesario para cumplir con las políticas de confidencialidad.

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