Tirer parti des simulations d’impression 3D pour une qualité et une précision supérieures

Découvrez les avantages et l’état de l’art actuel des simulations d’impression 3D. Cet article décrit pourquoi, quoi et comment utiliser les simulations dans l'impression 3D et donne des conseils pour vous aider à démarrer.

Présentation

La simulation du processus de fabrication devient progressivement une partie du flux de travail d'impression 3D. Les simulations d'impression 3D aident à comprendre et à visualiser les phénomènes thermomécaniques complexes qui se produisent lors de la fabrication, aboutissant à la production de pièces de haute qualité et de haute précision.

Ceci est particulièrement important pour les composants de grande valeur fabriqués à l'aide d'un processus d'impression 3D de pointe, où les itérations de conception (en éliminant une impression défectueuse) sont très coûteuses en termes de coût des matériaux et de temps de fabrication.

Les simulations du processus d'impression 3D ne doivent pas être confondues avec les simulations mécaniques FEA plus courantes :cette dernière permet d'évaluer les performances mécaniques d'une pièce dans certaines conditions liées à sa fonction (charge, déformation, température, etc.), tandis que la première aide à prédire le résultat du processus de fabrication par impression 3D, couche par couche et sous certains paramètres de processus.

Dans cet article, nous présentons d'abord les principaux avantages de la simulation de chacun des processus d'impression 3D, puis nous examinons de plus près les détails d'une simulation réussie, en vous donnant quelques conseils pratiques pour vous aider à démarrer.

Pourquoi utiliser des simulations dans l'impression 3D ?

La simulation du processus d'impression 3D est très utile, car elle permet de :

Éviter les échecs d'impression et les pièces rejetées pour des problèmes géométriques, ce qui permet de gagner du temps et de réduire le coût global.

Évaluer le risque de la production et donner des indications pour atténuer la probabilité d'échec .

Comprendre la physique du processus de fabrication.

Prédire les caractéristiques microstructurales de la partie finale.

Optimiser la production pour améliorer la vitesse de fabrication, réduire les opérations de post-traitement ou améliorer la précision en réduisant la déformation de la pièce et du support.

Vous pouvez effectuer la simulation avant ou après la génération des structures de support :

Avant la génération du support, les résultats de la simulation aident à identifier les zones critiques de déformation importante ou de contrainte interne. lors de la fabrication. Le concepteur peut alors ajouter des structures de support adaptées pour minimiser la déformation, changer l'orientation de l'impression pour changer les zones d'accumulation de chaleur ou modifier la géométrie du modèle 3D pour améliorer la qualité du résultat final.

Après la génération du support, les simulations aident à minimiser le risque En cas d'échec de la production (par exemple en raison d'une interférence du recouvreur), assurez-vous que les dimensions de la pièce finale se situent dans une plage de tolérance spécifiée. et évaluer l'impact des différents paramètres d'impression (par exemple, en comparant les paramètres optimisés pour la production aux paramètres optimisés pour la précision).

Dans les deux cas, les simulations contribuent à réduire le risque associé à la fabrication à forte valeur ajoutée. et pour améliorer la productivité d'impression 3D à grand volume, ce qui permet d'économiser des semaines de temps de production et des milliers de dollars en coûts de développement et de production.

Quels procédés d'impression 3D simuler ?

Les simulations sont particulièrement pertinentes pour l’impression 3D de grande valeur et de haute précision. De plus, les logiciels de simulation d’impression 3D contemporains les plus populaires sont basés sur des solveurs de simulation de soudage de métaux. Ainsi, les simulations sont plus couramment utilisées avec l'impression 3D métal.

Cependant, tous les principaux processus d'impression 3D peuvent être simulés et voici pourquoi :

SLM/DMLS : SLM et DMLS sont les technologies les plus anciennes et les plus matures parmi les processus d’impression 3D métal et, par conséquent, de nombreux progiciels se concentrent principalement sur elles. Étant donné que les températures de fusion des métaux sont supérieures aux températures de frittage des polymères, les contraintes thermomécaniques des pièces SLM/DMLS sont les plus importantes.

EBM : L'EBM est une technologie d'impression 3D métal plus récente que le SLM/DMLS et seuls quelques logiciels proposent des solutions. Les simulations dans EBM peuvent aider à identifier les régions d'accumulation de chaleur générées par le faisceau d'électrons.

FDM : Le principal problème du FDM est la déformation, qui se produit en raison du refroidissement différentiel du matériau thermoplastique extrudé. La simulation peut aider à vérifier si la pièce doit être redessinée ou si un bord doit être ajouté pour augmenter l'adhérence à la plate-forme.

SLA/DLP :En SLA et DLP, le principal problème est le curling, qui est similaire au warping. Il n'existe actuellement pas beaucoup de solutions logicielles pour simuler le processus d'impression SLA.

SLS : En SLS, les structures de support ne sont pas nécessaires, mais des zones d'accumulation thermique peuvent apparaître dans la construction, entraînant un mauvais lissé de la surface ou une déformation. La simulation peut aider à identifier ces domaines.

Sorties et résultats de la simulation

Répartition de la température

Le gradient de température est à l'origine de tous les phénomènes mécaniques se produisant lors d'une construction.

Le gradient de température peut parfois être calculé seul, sans aucune déformation mécanique. C'est généralement plus rapide qu'une simulation complète et résoudre les problèmes d'accumulation de chaleur pourrait en même temps résoudre les problèmes de déformation mécanique.

Distribution du gradient de température d'un modèle décrétisé (SLM/DMLS) dans Netfabb. Avec l'aimable autorisation de Poly-Shape

Déformation

En supposant que les véritables propriétés mécaniques du matériau soient connues, la déformation de la pièce lors de la fabrication peut être calculée.

La direction de la déformation est généralement correcte quels que soient les paramètres de simulation utilisés, mais l'amplitude de la déformation dépend étroitement de la taille du maillage de simulation :l'utilisation d'un maillage plus fin donnera des résultats plus précis, mais nécessite plus de temps d'exécution.

Vecteurs de déformation d'un modèle (SLM/DMLS) dans Netfabb. Avec l'aimable autorisation de Poly-Shape

Interférence du recouvreur

Dans les technologies sur lit de poudre (telles que SLS et SLM/DMLS), si la déformation le long de l'axe z est supérieure à l'épaisseur de la couche, la couche de recouvrement peut entrer en contact avec la pièce, la balayant et provoquant une défaillance. Dans certains packages de simulation, vous pouvez définir la hauteur de la tolérance du recouvreur et le logiciel vous avertira si une déformation le long de l'axe z dépasse ce seuil.

Étapes de post-traitement

L'objectif principal des packages de simulation d'impression 3D est le calcul des phénomènes thermomécaniques se produisant lors de la fabrication d'une pièce. Cependant, d'autres problèmes peuvent également apparaître dans les étapes ultérieures du processus de fabrication.

Lors du détachement de la pièce de la plateforme de fabrication ou du retrait des structures de support, les contraintes résiduelles du processus de fabrication peuvent provoquer une déformation de la pièce. Les traitements thermiques peuvent aider à soulager le stress interne. Certains packages de simulation vous permettent de simuler ces étapes de post-traitement et d'évaluer si un traitement thermique est nécessaire (voire efficace).

Liste des logiciels de simulation

Discrétisation

La première étape d'une bonne simulation est la discrétisation correcte du volume de la pièce.

Contrairement à la simulation mécanique classique, qui utilise un maillage conforme avec des tétraèdres, la plupart des logiciels de simulation d'impression 3D utilisent la voxélisation. le volume 3D de la pièce est représenté par de petits cubes (ou voxels), de la même manière qu'une image 2D sur un moniteur de PC est représentée par des pixels carrés. L'utilisation d'un plus grand nombre d'éléments de maillage produit des résultats plus précis, mais augmente également considérablement le temps de simulation. Trouver le bon équilibre est la clé.

Pour une première simulation, il peut être intéressant de lancer une première simulation grossière, avec de gros voxels, afin d'obtenir des résultats « rapides et sales ». Une telle simulation devrait vous permettre d'obtenir en quelques secondes ou minutes les principales zones de déformation de votre impression. Cela ne vous coûtera pas cher et peut vous aider à décider si une simulation plus précise (avec des voxels plus petits) est nécessaire.

Paramètres de matériau et d'impression

Une fois la pièce discrétisée, vous devez sélectionner les propriétés du matériau. La définition des propriétés des matériaux est probablement l'étape la plus cruciale du processus de simulation, car des données inexactes produiront des résultats de simulation erronés.

La plupart des éditeurs fournissent leur propre bibliothèque de matériaux, ce qui peut être très utile pour vous lancer.

Dans les deux cas, ils ne sont probablement pas parfaitement adaptés aux simulations. Chaque logiciel de simulation vous permet de modifier ou de créer vos propres matériaux pour générer les simulations les plus précises. Cela nécessite des connaissances spécialisées en science des matériaux pour être réalisé correctement et n'est pas recommandé aux utilisateurs inexpérimentés.

Étalonnage

Certains logiciels de simulation permettent de calibrer les propriétés du matériau en fonction d'éprouvettes imprimées dans un matériau spécifique et sur une machine spécifique. De cette façon, des propriétés de matériaux plus précises sont identifiées, ce qui entraîne des résultats de simulation plus précis.

Règles empiriques

• Simulez avant la génération du support pour améliorer la géométrie de la pièce et faciliter la conception des supports.
• Simulez après la génération du support pour valider la précision et vérifier les interférences du recouvreur.
• Effectuez d'abord une simulation rapide avec de grands voxels pour identifier les zones de déformation plus importante. Affinez ensuite le maillage pour améliorer la précision des résultats.
• Simulez la température sans résolution mécanique pour gagner du temps, car la résolution des problèmes d'accumulation de chaleur peut également résoudre les problèmes de déformation mécanique.
• Préférez un logiciel de simulation basé sur le cloud pour des performances plus rapides, mais utilisez des solveurs locaux si nécessaire pour respecter les règles de confidentialité.

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