Развитие технологии трехмерной печати с применением последовательного моделирования

Caty Fairclough 07/03/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Трехмерная печать широко используется для создания специализированных медицинских устройств, агрегатов для аэрокосмической промышленности и произведений искусства. Трехмерная печать начинает использоваться в самых разных областях, и важно, чтобы она соответствовала требованиям потенциальных потребителей. Однако в процессе анализа и оптимизации этого сложного процесса могут возникнуть трудности. Что могут предпринять инженеры, чтобы решить эту проблему?

Универсальность трехмерной печати

Трехмерная печать — это процесс создания трехмерных объектов путем добавления одного или нескольких материалов слой за слоем. Чтобы узнать больше о трехмерной печати, мы обратились к профессору Фредерику Роже из Mines Telecom Institute, центр Lille-Douai. (IMT — французское государственное учреждение высшего профессионального образования, занимающееся исследованиями и инновациями в области проектирования и цифровых технологий.)

Профессор Роже говорит, что в некотором смысле трехмерная печать похожа на шитье или ткацкое искусство. В обоих процессах гетерогенный конечный продукт создается путем контролируемого объединения различного сырья. В ткачестве материалы обычно представляют собой нить и пряжу, однако в трехмерной печати можно использовать множество материалов, включая полимеры, металлические сплавы, керамику и композиты.

Фотография тканого одеяла.
Изображение специализированной детали для  аэрокосмической промышленности.

Правильный выбор материалов имеет важное значение для создания идеального готового изделия, будь то теплое одеяло (слева, соткала моя бабушка) или специальная деталь для аэрокосмической промышленности (справа). Изображение справа имеется в свободном доступе в США, из Wikimedia Commons.

Широкий выбор материалов позволяет использовать трехмерную печать для разработки многих уникальных объектов в различных отраслях. Например, Роже отмечает, что, используя правильно подобранные материалы при соответствующих термодинамических условиях, инженеры могут создавать объекты, которые противостоят неблагоприятным условиям окружающей среды или могут к ним приспосабливаться. Такие объекты могут даже адаптироваться к определенным температурам или химическим условиям, изменяя форму или высвобождая химические вещества (например, лекарства), заключенные внутри матрицы. Процесс трехмерной печати деталей, изменяющихся со временем, может привести к созданию “четырехмерной печати”.

Фотография детали, созданной на основе биологических форм и изготовленной методом трехмерной печати.
Иногда модели деталей для трехмерной печати создаются под влиянием природных форм, как, например, биотехнологическая деталь, изображенная здесь. Изображение предоставлено Фредериком Роже.

По словам Роже, разнообразные возможности трехмерной печати делают ее "незаменимой", поскольку она "предлагает новые способы создания оптимизированных структур с помощью самых современных материалов". Однако, прежде чем инженеры смогут создавать эти структуры, им необходимо улучшить процесс трехмерной печати.

Решение проблем моделирования трехмерной печати

Трехмерная печать представляет собой сложный для изучения процесс. Трехмерная печать может осуществляться разными способами в зависимости от типа используемых материалов. Для исследования этого процесса также требуется учитывать влияние различных факторов, в частности:

  • Многократные фазовые переходы
  • Передача энергии, массы, момента
  • Спекание
  • Фотополимеризация
  • Сушка
  • Кристаллиазция
  • Деформация
  • Напряжение

Чтобы учесть эти факторы, инженеры могут использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics®, которое, по словам Роже, является "уникальным программным продуктом, который имеет большие преимущества в моделировании трехмерной печати". Программное обеспечение помогает инженерам не только "оптимизировать процесс трехмерной печати, но также и спрогнозировать механические и микроструктурные воздействия на продукт". Инженеры могут вводить в программу данные о физических свойствах объекта и определять идеальные условия для трехмерной печати, а также геометрические параметры деталей в соответствие с требованиями к жесткости, уменьшению веса и отводу тепла.

Фотография процесса трехмерной печати.
Фотография детали, изготовленной из двух материалов с помощью трехмерной печати.

Слева: Пример процесса трехмерной печати, который включает различные физические процессы. Изображение Les Pounder — собственная работа. По лицензии CC BY-SA 2.0 на Flickr Creative Commons. Справа: Пример детали, созданной методом трехмерной печати с использованием двух материалов и заполненной внутри ячеистой структуры. Изображение предоставлено Фредериком Роже.

Проблема заключается в том, что анализ процесса трехмерной печати в сочетании с соответствующими физическими процессами может привести к большим размерам модели и замедлить процесс вычисления. Чтобы решить эту задачу, Роже реализует несколько стратегий моделирования, таких как активация свойств сетки, использование адаптивного перестроения сетки, а также последовательное моделирование.

Используя последовательный подход, Роже удается успешней анализировать последовательность термодинамических состояний, в которых находится материал во время трехмерной печати. В то же время, этот подход помогает упростить мультифизические связи за счет их нарушения с течением времени. Таким образом, последовательное моделирование дает возможность в полном объеме моделировать и оптимизировать процесс трехмерной печати и уменьшить стоимость вычислений.

Оптимизация напечатанной детали с помощью мультифизического моделирования

Роже и его коллеги сосредоточились на моделировании метода послойного наплавления (FDM®), распространенного недорогого способа трехмерной печати, который позволяет контролировать параметры процесса. Целью данного исследования была оптимизация внутренних и внешних геометрических параметров в процессе печати термопластичной детали, а также достижение наилучших характеристик. Для достижения этих целей группа исследователей разделила анализ на три части, как изложено ниже.

Для получения более подробной информации об этом исследовании можно прочитать статью его авторов.

Часть 1. Топологическая оптимизация внешних геометрических параметров детали

В первой части исследования инженеры хотели минимизировать общую массу напечатанной детали, сохраняя при этом распределение материала, которое позволяет получить максимальную жесткость. При этом они использовали топологическую оптимизацию и прочностной анализ для исследования механической конструкции под растягивающей нагрузкой.

Изображение геометрических параметров и граничных условий детали, изготовленной методом трехмерной печати.
График распределения модуля Юнга напечатанной детали в пакете COMSOL Multiphysics®.

Исходные геометрические параметры и граничные условия (слева), а также модуль Юнга, которые определяют оптимальную форму по цветовому контрасту (справа). Изображение взяты из доклада, представленного на конференции COMSOL 2015 в Гренобле, авторы Ф. Роже и П. Кравчак. Изображение предоставлено Фредериком Роже.

В процессе исследований они нашли оптимальную форму детали с учетом того, что в максимальное напряжение достигается в среднем сечении. Таким образом, исследователи разделили структуру на области на основе поля концентрации напряжений — средняя область высокого напряжения, окруженная двумя областями с низким напряжением. В следующем исследовании они использовали эту информацию для применения конкретных производственных условий к зоне высокого напряжения

График полей напряжений для промышленной детали с оптимизированными геометрическими параметрами..
Поля напряжений в оптимизированной геометрии. Изображение предоставлено Фредериком Роже.

Часть 2. Сравнение стратегий заполнения для оптимизированной трехмерной детали

Во втором исследовании ученым нужно было улучшить устойчивость зоны повышенного напряжения в детали путем тестирования двух возможных стратегий заполнения:

  1. Гетерогенное заполнение с переменной плотностью
  2. Заполнение несколькими материалами

В гетерогенном варианте ученые создали более устойчивую область высокого напряжения в средней части детали с помощью наполнителя более высокой плотности. В то же время они минимизировали массу внешних зон за счет использования меньшего количества материала. Результаты показали, что идеальная геометрия содержит 60% материала в области высоких напряжений и 20% материала в областях с низким напряжением.

Фотография оптимизированной детали, изготовленной с помощью трехмерной печати.
Печать оптимизированной детали с использованием одного материала с различной плотностью. Изображение взято из доклада, представленного на конференции COMSOL 2015 в Гренобле, авторы Ф. Роже и П. Кравчак.

Как показано ниже, в случае применения нескольких материалов использовался красный пластик АБС на концах детали и черный проводящий пластик АБС с улучшенными механическими свойствами в середине. Инженеры обнаружили, что проводящий пластик АБС можно заменить материалами, подобными АБС, которые имеют усиленные наполнители для увеличения жесткости.

Фотография детали, изготовленной из двух материалов с помощью трехмерной печати.
Печать оптимизированной детали с использованием двух типов материалов. Изображение взято из доклада, представленного на конференции COMSOL 2015 в Гренобле, авторы Ф. Роже и П. Кравчак.

Часть 3. Анализ теплопередачи при послойном термопластичном наплавлении

После оптимизации внутренней и внешней конструкции детали, созданной методом трехмерной печати, исследователи смоделировали процесс термопластичного наплавления и оценили производственные параметры. Полученные результаты моделирования помогли им точно предсказать изменение температуры детали во времени, условия смачивания, кристаллизацию полимера, взаимодействия между нитями, а также остаточные напряжения и деформации. Ниже приведен пример, отражающий пластическую деформацию во время процесса нагрева и охлаждения.

 

Сплавление и затвердевание диска, который облучается лазерным лучом, а также последовавшие за этим изменения пластической деформации. Этот анализ учитывает свойства вязкой жидкости и термомеханические свойства твердого тела. Анимация предоставлена Фредериком Роже.

Также изучался тепломассообмен в первых двух слоях тонкостенной трубки. Затем исследователи смогли проанализировать процесс наплавления капель пластика и определить области, где нити достигали температуры плавления. В анимации ниже показано исследование наплавления материала. Виден источник тепла, движущийся по профилю наплавления и нагревающий нити до температуры плавления — около 230°С для капель АБС. В этих моделях область пути экструдера предварительно покрывается сеткой и сетки непрерывно активируются в зависимости от положения экструдера.

 

 

Двухслойное круговое наплавление (вверху). Движущийся источник тепла изображает горячее наплавление пластика АБС. Тепловое расширение двух слоев (усиленное в пять раз), показан движущийся источник тепла, активирующий свойства материала (внизу). Здесь синий цвет указывает на неактивированную сетку, а физические свойства (теплопроводность и жесткость) близки к нулю. Анимация предоставлена Фредериком Роже.

Используя результаты моделирования, Роже и его коллеги предсказали параметры поля температуры между нитями в процессе наплавления, что является важным фактором, влияющим на адгезию нитей. С помощью подобного анализа исследователи смогут сравнивать различные условия трехмерной печати и определять лучшую стратегию наплавления для конкретной области применения.

Заключительные замечания по моделированию трехмерной печати

Роже говорит, что результаты моделирования позволили его команде "описать деталь, изготовленную методом трехмерной печати, внутренняя и внешняя архитектура которой обеспечивает оптимальные промышленные характеристики". Разумеется, это только малая часть того, что может быть достигнуто путем объединения возможностей трехмерной печати и мультифизического моделирования.

Если у вас есть какие-либо предложения по использованию пакета COMSOL Multiphysics для изучения процесса трехмерной печати, пишите в комментариях ниже!

Узнайте больше о трехмерной печати

FDM — зарегистрированный товарный знак Stratasys, Inc.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта