MTC Создает Приложение Моделирования для Оптимизации 3D Печати

3D-печать получила распространение в ряде отраслей промышленности в качестве многообещающей технологии производства. Растущий спрос на данный способ изготовления вызвал ажиотажный рост числа исследований по моделированию процессов, лежащих в его основе. Инженеры из Производственно-Технологического Центра (Manufacturing Technology Centre — MTC) определили свою нишу среди технологий аддитивного производства, известную как профилированное наплавление металлов. С помощью созданного приложения по моделированию процесса, группа сможет лучше соответствовать требованиям своих клиентов, предоставляя более разнообразные и эффективные результаты.

Конструкторы и производители, как правило, заинтересованы в предварительной проверке нескольких проектных схем, прежде чем выбрать из них наиболее перспективный вариант в качестве прототипа устройства или процесса. Как специалисту в моделировании, вам часто придется перебирать множество вариантов для каждого нового проекта. Большое подспорье в этом вам окажет Среда Разработки Приложений, которая революционизировала этот процесс. Преобразовав вашу модель в приложение по моделированию, её можно будет запустить, даже не обладая навыками в моделировании, и получить результаты своих тестов с помощью нажатия одной кнопки.

При разработке приложения, вы можете включить в него только те параметры, которые важны для анализа конечного результата, скрывая при этом конкретную структуру модели, но сохранив лежащую в основе физику процесса. Как только необходимые изменения внесены в проект, пользователи приложения могут, управляя входными данными, протестировать новую конфигурацию модели. Результат: более эффективный процесс моделирования, который позволяет инженерам сконцентрироваться на конечной цели проекта, а не на нюансах при его реализации.

На протяжении нескольких последних недель, мы уже описали несколько наших собственных демо-приложений, предназначенных для того чтобы помочь вам начать разработку приложений. Сегодня, мы поделимся с вами, как группа из MTC создала свое приложение для анализа и оптимизации профилированного наплавления металла (shaped metal deposition (SMD)) — технологии послойного синтеза (3D печати) — относящейся к методам аддитивного производства. Давайте начнем с изучения того, что послужило началом развития этого приложения.

Группа MTC, разработавшая это приложение для моделированию.

Индустрия 3D печати испытала грандиозный рост в течение нескольких последних лет. С воплощением новых идей в дальнейшее развитие технологии, 3D печать заявила о себе, как о предпочтительном методе изготовления некоторых компонентов для медицинских приборов, автомобилей, одежды. И здесь мы перечислили только несколько областей применения.

В MTC — который недавно стал домом для UK National Centre for Net Shape and Additive Manufacturing — инженеры по компьютерному моделированию вовремя ощутили повышенный интерес своих клиентов к технологиям аддитивного производства, а конкретно — к профилированному наплавлению металлов (shaped metal deposition — SMD). В отличие от порошковых технологий аддитивного производства, SMD ценится за ее способность к модификации уже существующих компонентов, а также за более широкий ассортимент материалов для изготовления деталей.

Как и при спекании порошков, в этой технологии изготовления подается масса расплавленного металла, которая затем постепенно наносится на поверхность. Основной проблемой в этом процессе является то, что тепловое расширение расплавленного металла может привести к деформации оболочки, при его охлаждении. Таким образом, конечное изделие может сильно отличаться от ожидаемого результата.

Моделирование теплового нагрева в изготавливаемой детали, создано группой MTC.

Видимая деформация на изготовленной детали после шести наплавленных слоев.

Используя среду COMSOL Multiphysics, группа из MTC создала модель, которая позволяет лучше предсказать конечный результат, пытаясь минимизировать деформации, или внести изменение в конструкцию с учетом таких деформаций. Реагируя на растущую популярность этой технологии изготовления, MTC преобразовала данную модель в приложение моделирования, которое является доступным для различных отделов внутри их организации.

Приложение моделирования, разработанное MTC, основывается на термомеханическом анализе термических напряжений и деформаций, возникающих в результате тепловых циклов SMD. Приложение спроектировано таким образом, чтобы предсказать будут ли создаваемые в процессе наплавления части изделия попадать в пределы заданного диапазона допусков. В некоторых случаях, могут потребоваться многочисленные тестовые запуски приложения, прежде чем будет достигнута приемлемая конечная деформация. С помощью интуитивно понятного и дружественного пользовательского интерфейса, пользователи приложения могут легко изменять различные входные данные и параметры при тестировании каждой новой конструкции и анализировать уровень её исполнения.

Пользовательский интерфейс приложения MTC.

В приложении, группа разработчиков предоставила пользователям возможность легко и просто тестировать различные геометрии, выбор материалов и экспериментировать с различными источниками тепла и способами нанесения материала. Приложение включает две встроенных параметрических геометрии, а также предусматривает возможность импорта пользовательской геометрии.

Запуск моделирования с использованием приложения. Этот график демонстрирует поле температуры.

В выпуске COMSOL News 2015, Борха Лазаро Тораллес (Borja Lazaro Toralles), инженер из MTC, обсудил преимущества применения такого подхода к анализу и оптимизации SMD. “Если бы не это приложение, наши специалисты были бы вынуждены тестировать каждый интересующий нас проект, что значительно уменьшило бы доступность квалифицированных ресурсов,” отметил Лазаро Тораллес в статье.

С момента зарождения, приложение являлось доступным для всех членов коллектива MTC, даже не владеющих навыками моделирования. Распространение этого удобного в использовании инструмента предоставило членам коллектива простой способ тестирования и проверки правильности технических решений, ускорения моделирования процессов и обеспечило оперативное удовлетворение запросов клиентов. Кроме того, доступность приложения для инженеров MTC означает, что они могут квалифицированно контактировать с компаниями, которые хотят изучить возможности использования данной аддитивной технологии быстро и без излишних затрат.

Группа из MTC уже начала выпускать обновления для своего приложения, осуществлять дальнейшее расширение его функциональности и добавлять новые ресурсы для конечных пользователей. Используя Physics Builder, инженеры начали проектирование настраиваемого физического интерфейса, который сделает возможным моделирование более сложных инструментов для хранения и подачи расплава. Предназначенный для потребностей проектирования, этот интерфейс предоставляет инженерам более простой и быстрый способ реализации своих идей, который, к тому же, менее подвержен ошибкам.

Для дальнейшего улучшения удобства пользования приложением, MTC планирует предоставить более контекстное управление посредством инструментария стэковых карт, предоставляемого Средой Разработки Приложений. Для повышения точности, планируется добавить возможность моделирования эволюции микроструктур на макроскопическом уровне для предсказания зон подверженных нагреву.

Признав преимущества построения приложений по моделированию, MTC не останавливается на достигнутом, и рассматривает возможность создания дополнительного приложения для оценки оптимизации топологии, равно как и для моделирования горячего изостатического прессования (hot isostatic pressing — HIP). Они также потенциально заинтересованы в использовании COMSOL Server™ в их собственным кластером для обеспечения безопасной среды по управлению, запуску и совместного использования приложений по моделированию. Это должно представлять огромный интерес для тех компаний, которые не обладают большими вычислительными мощностями.