РОЛЬ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Бугаев И.В.
Аспирант. Санкт-Петербургский Горный университет
РОЛЬ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Аннотация
В статье рассмотрена связь аддитивных технологий и компьютерного моделирования. Даны основные понятия и определения. Определены возможности применения компьютерного моделирования на этапах изготовления изделий путём 3D печати.
Ключевые слова: аддитивные технологии, моделирование, 3D печать.
Bugaev I.V.
Postgraduate student, Mining University Saint-Petersburg
IN THE ROLE OF COMPUTER SIMULATION IN ADDITIVE TECHNOLOGIES
Abstract
The article considers the correlation between additive technology and computer modeling. Given the basic concepts and definitions. Identified the possibility of using computer simulation on the stages of manufacturing products by 3D printing.
Keywords: additive technology, modeling, 3D printing.
Основные понятия и определения
Под понятием аддитивные технологии (Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM)) следует понимать технологию создания изделия путём его послойного синтеза [1]. В отличие от классических «вычитающих» методов, когда от заготовки отсекают ненужные материал, для получения необходимого изделия, объект создаётся путём добавления материала слой за слоем. На ряду, с аддитивными технологиями можно так же услышать понятие - быстрое прототипирование (Rapid Prototyping) [3]. По своей сути оно является неотъемлемой частью аддитивных технологий, которая отвечает непосредственно за процесс изготовления объекта, будь это прототип, опытный образец или серийный экземпляр. Одной из самых распространённых на данный момент аддитивных технологий является 3D-печать.
У данной технологии по сравнению с «вычитающими», есть несколько неоспоримых преимуществ:
- Экономия сырья на производстве. За счёт послойного создания изделия практически отсутствуют отходы материала. В отличии от традиционных методов, когда потери сырья могут быть в районе 70-75%;
- Отсутствие в деталях дефектов производства. Это достигается за счёт постепенного создания изделия слой за слоем;
- Изготовление изделий сложной геометрической формы. Благодаря оборудованию, применяемому в аддитивных технологиях возможно создание сборок деталей;
- Отсутствие «человеческого» фактора при изготовлении объекта. Его построение происходит в полностью автоматическом режиме;
- Скорость изготовления объекта от прототипа до серийного образца.
Рассмотрим несколько самых распространённых методик создания изделий на 3D - принтере:
- SLS (Selective laser sintering) — Выборочное лазерное спекание. Технология основана на последовательном спекании слоёв порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности.
- SLM (Selective laser melting) — Выборочная лазерная плавка. В данном случаи создание объекта происходит за счёт сплавление металлических порошков.
- SLA (сокращенно от Stereolithography) — Стереолитография. Создание моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счёт облучения её лазером.
- MJM (Multi-jet Modeling) — Технология много струйного моделирования. В данной технологии главную роль играет уникальная печатающая головка. Она содержит тончайшие сопла, количество которых может достигать до 448 штук. Данная технология использует термопластичный материал — твердый воск.
- CJP (Color jet printing) — Цветная струйная печать. Технология подразумевает нанесение тонких слоёв порошкообразных расходных материалов, с последующим выборочным нанесением связующего полимера.
- FDM (Fused deposition modeling) — Моделирование методом послойного наплавления. Создание трёхмерных объектов происходит за счёт нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели [3].
Роль компьютерного моделирования
Какую же роль играет компьютерное моделирование в аддитивных технологиях. Чтобы это понять, давайте рассмотрим, этапы создания изделия на 3D-принтере (Рис. 1):
Рис. 1 – Этапы создания изделия на 3D-принтере
Рассмотрим каждый этап подробнее:
- Создание цифровой модели изделия. На данном этапе при помощи системы трёхмерного геометрического моделирования (3D Computer Aided Design (CAD)) создаётся компьютерная модель будущего изделия [2]. Так же возможно создание компьютерной модели изделия, на основание 3D-скана объекта.
- Экспорт 3D-модели в STL-формат. Это специальный формат созданный для 3D печати, он описывает треугольники, составляющие контуры любого объекта.
- Генерация G-кода. Создаётся набор, представляющих собой, нарезку цифровой модели на отдельные слои с преобразованием данных в инструкции для работы принтера.
- Подготовка 3D-принтера к работе. Данный этап может немного отличатся в зависимости от типа печати, но в основном все схоже и представляет собой загрузку материала, калибровку позиционирования печатного сопла.
- Печать 3D-объекта. Непосредственно происходит создание изделия путём послойного синтеза материала.
- Финишная обработка объекта. Полировка, шлифовка объекта. Обычно для этих целей используют автоматический пескоструйный аппарат или ручную обработку наждачной бумагой мелкой зернистости.
Из выше сказанного следует, что одна из основных ролей компьютерного моделирования в аддитивных технологиях является создание геометрической 3D модели будущего изделия при помощи CAD пакетов. За счёт того что объект создаётся путём послойного синтеза, создаваемая 3D модель представляет собой виртуальный прототип будущего изделия. За счёт этого всегда есть возможность в быстрой корректировке изделия, а так же для будущей модернизации объекта. Благодаря этому открываются широкие возможности в применении аддитивных технологиях в различных областях.
Так же одной из важнейших ролей компьютерного моделирования в аддитивных технологиях является компьютерный анализ и оптимизация изготовляемого объекта, до его физических испытаний. Проведя такой анализ можно минимизировать количество итераций на производстве и испытании изделия. Для такого рода задач используются системы инженерного анализа (Computer-aided engineering (CAE)) [2].
Современные системы анализа позволяют моделировать различные физические процессы, которые могут произойти с изготавливаемым объектом. Наиболее распространённые типы задач, которые анализируют при помощи CAE пакетов:
- Анализ механических свойств (structural analysis): расчёт динамических пластических деформаций, при статической и динамической нагрузке, анализ прочности и механической устойчивости изделия.
- Моделирование динамики систем твердых тел ( Rigid Body Dynamics): анализируется сложная механическая система с большим количеством элементов, учитывающая деформации различных частей высокой твёрдости.
- Вычислительная гидродинамика (Computational Fluid Dynamics): расчёт потоков газа и жидкости вокруг или через объекты.
- Тепловой анализ (thermal analysis): расчёт температурных показателей, процессы диффузии, конвекции и излучения.
- Электромагнитное моделирование (Electromagnetic simulation): моделирование статических и динамических электромагнитных полей.
- Моделирование процессов (Process Simulation): физическое
моделирование определённых процессов, штамповка, прокатка [2].
Для проведения CAE анализа 3D модель изделия импортируется в программу, где она проходит следующие этапы:
- Определение параметров модели. На данном этапе задаются свойства материала, из которого предполагается производство изделия.
- Определение контактных параметров. Указываем точки приложения воздействия (механическое, тепловое и т.д.) на объект.
- Определение кривой нагружения. Задаём тип и время воздействия.
- Определение времени расчёта.
- Анализ результатов компьютерного моделирования.
После провидения комплексного анализа при помощи CAE становится понятно, надо ли изменять что-либо в будущем изделии. При условии выявления недочётов в 3D модели она передаётся на доработку. Если все результаты в допустимых рамках, модель отправляется на печать.
В производстве изделий при помощи аддитивных технологий, роль компьютерного моделирования очень высока. Начиная от первого этапа, на котором создаётся будущая 3D модель при помощи CAD пакетов, так и при последующем этапе CAE анализе полученной модели. За счёт такой взаимосвязи можно получить изделие 3D печати высокого качества.
Литература
- 3-D Printing Manufacturing Process is Here.; Independent global forum for the Unmanned Aircraft Systems community, UAS Vision. [Электронный ресурс] URL: http://www.uasvision.com/2012/07/16/3-d-printing-manufacturing-process-is-here/
- Новые производственные технологии: публичный аналитический доклад. — М. : Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015. — 57-64 с.
- Довбыш В.М., Забеднов П.В., Зленко М.А. Аддитивные технологии и изделия из металла. URL: www.nami.ru/upload/AT_metall.pdf
References
- 3-D Printing Manufacturing Process is Here.; Independent global forum for the Unmanned Aircraft Systems community, UAS Vision. [Ehlektronnyjj resurs] URL: http://www.uasvision.com/2012/07/16/3-d-printing-manufacturing-process-is-here/
- Novye proizvodstvennye tekhnologii: publichnyjj analiticheskijj doklad. — M. : Izdatel'skijj dom «Delo» RANKhiGS, 2015. — 57-64 s.
- Dovbysh V.M., Zabednov P.V., Zlenko M.A. Additivnye tekhnologii i izdelija iz metalla. URL : www.nami.ru/upload/AT_metall.pdf