В настоящее время производство деталей из пластиков (в том числе армированных пластиков) с использованием аддитивных технологий активно переходит от стадии быстрого прототипирования к стадии промышленного производства ответственных нагруженных деталей. Несмотря на большой интерес в мире к технологиям 3D-печати, широкому применению этих технологий в промышленном производстве препятствует ряд существенных проблем: ограниченный ассортимент современных материалов, недостаточная точность детали из-за ее коробления в процессе изготовления, труднопредсказуемые механические свойства (прочность и жесткость) будущего изделия. Поэтому для получения детали, соответствующей теоретической геометрии и заданным механическим характеристикам, приходится использовать метод проб и ошибок. Как результат, стоимость деталей, получаемых методом 3D-печати, сейчас достаточно высока.

Чтобы обеспечить быстрый и эффективный переход к промышленному производству, компания MSC Software предлагает уникальное решение для аддитивных технологий — Digimat Additive Manufacturing, позволяющее провести комплексную разработку деталей из пластиков (включая армированные пластики): от композиционного материала и процесса изготовления методом 3D-печати до характеристик конструкции.

Основой платформы Digimat Additive Manufacturing является программный комплекс Digimat, который разработан и поддерживается бельгийской компанией e-Xstream engineering (с 2012 года — подразделение корпорации MSC Software). Для определения свойств многофазных материалов Digimat использует микроуровневый подход. В качестве исходных данных выступают свойства каждой фазы композиционного материала (КМ), их объемное или массовое содержание и микроструктура (форма фаз и их ориентация). Digimat строит математическую модель материала на микроуровне, чувствительную к свойствам каждой фазы и его микроструктуре, после чего определяет требуемые механические, тепловые или электрические характеристики многофазного материала.

Микроуровневый подход для определения свойств многофазных материалов Микроуровневый подход для определения свойств многофазных материалов

Возможности программного комплекса обеспечивают моделирование широкого спектра многофазных материалов и использование комплексного подхода в разработке композитных конструкций: от технологии изготовления до конечных характеристик конструкции. Реализованный в Digimat микроуровневый подход делает его востребованным всеми специалистами, связанными с КМ или композитными конструкциями. Это могут быть разработчики композиционных материалов, специалисты по статической или динамической прочности композитных конструкций, материаловеды, занимающиеся испытаниями слоистых КМ, или технологи, связанные с изготовлением композитных деталей методами литья под давлением и 3D-печати. Digimat имеет модульную структуру и в настоящее время состоит из девяти модулей (Digimat-MF, -FE, -MX, -MAP, -CAE, -RP, -HC, -VA, -AM), которые взаимосвязаны и логически дополняют друг друга.

Программный комплекс Digimat Программный комплекс Digimat

Digimat Additive Manufacturing основывается на получивших заслуженное признание решениях программного комплекса Digimat в области нелинейного многоуровневого моделирования композиционных материалов и представляет собой уникальное сочетание инструментов, которые охватывают все направления, связанные с аддитивными технологиями:

  • точное определение механических, тепловых и электрических свойств материала на основе характеристик фаз и его микроструктуры;
  • моделирование изготовления детали методом 3D-печати для определения коробления, остаточных напряжений и пористости;
  • расчет детали на прочность и жесткость с учетом микроструктуры и возможных дефектов в ней после изготовления с целью оценки полученных характеристик конструкции заданным требованиям. Это позволяет при необходимости оперативно внести требуемые изменения в конструкцию. Например, с помощью дополнительного армирования или путем выбора оптимальных параметров печати (другого направления и т.д.).
Комплексное решение Digimat Additive Manufacturing Комплексное решение Digimat Additive Manufacturing

На сегодня из всего множества существующих в мире технологий 3D-печати Digimat Additive Manufacturing поддерживает две: SLS-технологию (спекание порошковых компонентов лазером) и FFF/FDM-технологии (метод наплавления нити / метод послойного наплавления). Эти технологии являются наиболее перспективными для промышленного производства «силовых» деталей из полимерных композиционных материалов, которые должны «нести» нагрузку и отвечать заложенным характеристикам по прочности и жесткости.

Поддерживаемые Digimat Additive Manufacturing технологии 3D-печати Поддерживаемые Digimat Additive Manufacturing технологии 3D-печати

Для виртуальной разработки детали, которую планируется изготовить методом 3D-печати, требуется точное определение характеристик материала на каждом из уровней моделирования процесса изготовления. Например, при использовании FFF/FDM-технологии изготовления мы можем выделить макро-, мезо- и микроуровень. На макроуровне у нас есть опора, плотная структура и решетчатая (lattice) структура. Спускаясь на уровень ниже, можно видеть, что свойства решетчатой структуры во многом определяются ее геометрией и выбранным материалом. Свойства основной плотной структуры связаны не только со стратегией расположения слоев при 3D-печати (однонаправленная укладка слоев, укладка 0/45 градусов или квазиизотропная укладка 0/90 градусов), но и со множеством параметров уже на микроуровне. К таким параметрам можно отнести пористость между слоями, которая зависит от технологии наложения нитей, пористость на уровне одного слоя, которая определяется технологическими параметрами укладки слоя и формы нити после спекания. Наконец, свойства самой нити будут зависеть от характеристик матрицы, армирующих волокон, возможной в ней микропористости, микроструктуры композиционного материала нити (ориентации армирующих волокон).

Точное моделирование в Digimat материала на макро-, мезо- и микроуровне Точное моделирование в Digimat материала на макро-, мезо- и микроуровне

Можно констатировать, что при моделировании аддитивных технологий для точного определения свойств необходимо многоуровневое моделирование материала: от моделирования свойств одной нити на микроуровне к свойствам плотной и решетчатой структуры на мезоуровне, а затем к характеристикам детали на макроуровне. За точное определение характеристик композиционного материала на каждом из уровней моделирования 3D-печати отвечают модули Digimat-MF, -FE и -МХ. Это первый блок платформы Digimat Additive Manufacturing.

Следующий блок отвечает за моделирование изготовления детали из КМ методом 3D-печати. Эту задачу решает модуль Digimat-AM, который появился в Digimat 2017.1.

Digimat-AM позволяет определить коробление и остаточные напряжения, возникающие при 3D-печати детали в зависимости от технологических параметров процесса, стратегии печати и выбранного материала. Модуль поддерживает моделирование полного цикла изготовления деталей из однородных и армированных пластиков с помощью SLS- и FFF/FDM-технологий: 3D-печать, удаление опоры и охлаждение детали.

Моделирование процесса 3D-печати выполняется в дружественном интерфейсе модуля Digimat-AM и включает в себя несколько этапов: подготовку рабочего процесса изготовления, виртуальное конечно-элементное (КЭ) моделирование послойного изготовления детали и анализ полученных результатов.

Рабочий процесс моделирования 3D-печати в модуле Digimat-AM Рабочий процесс моделирования 3D-печати в модуле Digimat-AM

При подготовке рабочего процесса пользователь вводит исходные данные (загружает начальную геометрию детали, выбирает стандартный материал из базы данных или задает свойства собственного композиционного материала, задает технологию изготовления — SLS или FFF/FDM), а также определяет технологические параметры изготовления: путь инструмента, параметры процесса, ориентацию детали и т.д. Далее на импортированной модели автоматически строится 3D Voxel (воксельная) сетка выбранного размера. После подготовки рабочего процесса изготовления запускается виртуальное моделирование процесса печати.

Процесс печати производится с помощью встроенного в Digimat-AM нелинейного КЭ-решателя Marc, в котором моделируется послойное выращивание детали с использованием воксельной конечно-элементной сетки. Для расчета коробления детали, деформаций и напряжений используется метод собственных деформаций (Inherent strains). Идея метода заключается в том, что при создании каждого слоя конечных элементов, моделирующих 3D-печать, добавляются элементы с уже заложенными в них собственными деформациями. Значение этих собственных деформаций в создаваемых элементах зависит от выбранного материала, технологии 3D-печати и технологических параметров изготовления.

Digimat-AM предоставляет пользователю возможность задать значения Inherent strains вручную или же позволить модулю определить их самостоятельно. В случае автоматического определения Inherent strains задача моделирования решается в два этапа. На первом этапе Digimat-АМ на микроуровне для небольшого объема материала моделирует технологический процесс послойного изготовления с учетом свойств материала, технологических параметров и стратегии изготовления, после чего из результатов моделирования определяет Inherent strains. При этом происходит решение связанной термопрочностной задачи в динамике с учетом вынужденной конвекции, теплопроводности и излучения с учетом температурнозависимых механических и тепловых характеристик каждой фазы композиционного материала. На втором этапе Digimat-АМ использует высчитанные Inherent strains на макроуровне для моделирования печати уже всей детали.

Пользователь выбирает стратегию задания Inherent strains (автоматическое определение в модуле или задание вручную) и запускает процесс КЭ-моделирования послойного изготовления детали.

Двухэтапный подход при моделировании процесса 3D-печати Двухэтапный подход при моделировании процесса 3D-печати

Результатом моделирования являются искаженная форма детали после 3D-печати, остаточные напряжения и деформации, которые могут быть переданы в КЭ-модель для расчета конструкции на прочность или жесткость.

Полученная при моделировании искаженная геометрия детали может быть впоследствии использована для нахождения начальной оптимально деформированной формы с целью компенсации искажения формы (коробления) после физического изготовления.

Пример минимизации коробления детали при 3D-печати Пример минимизации коробления детали при 3D-печати

И, наконец, третье направление платформы Digimat Additive Manufacturing — это расчет конструкции, полученной методом 3D-печати, на прочность и/или жесткость с учетом микроструктуры в ней после изготовления.

В общем случае пользователям недостаточно лишь напечатать деталь — их больше интересует, чтобы она также соответствовала заявленным требованиям по прочности и жесткости. Эта задача решается с помощью связанного КЭ-анализа с моделью материала Digimat на микроуровне.

Полученные после моделирования 3D-печати остаточные напряжения и микроструктура передаются на КЭ-сетку для структурного анализа. Параллельно с этим строится нелинейная анизотропная модель материала, чувствительная к микроструктуре после изготовления, которая и используется для связанного КЭ-анализа конструкции. За возможность проведения связанного КЭ-анализа конструкции с учетом микроструктуры после 3D-печати отвечают модули Digimat-САЕ и -МАР.

Рабочий процесс расчета конструкции с учетом микроструктуры в ней после 3D-печати Рабочий процесс расчета конструкции с учетом микроструктуры в ней после 3D-печати

Digimat Additive Manufacturing работает как единая платформа (экосистема) для тесного и эффективного взаимодействия поставщиков материалов, разработчиков 3D-принтеров, специалистов отделов НИОКР и конечных пользователей. Каждое из направлений платформы охватывает свою группу задач при работе с аддитивными технологиями.

Направление «Материалы»

  • Разработка новых композиционных материалов для аддитивных технологий, с требуемыми нелинейными анизотропными характеристиками (механическими, тепловыми и электрическими).
  • Использование и обмен общими данными по материалам между производителями КМ, разработчиками 3D-принтеров и конечными пользователями.
  • Точное определение свойств КМ (от микро- до макроуровня) для моделирования процесса 3D-печати и связанного КЭ-расчета с учетом микроструктуры после изготовления.

Реализовано с помощью модулей Digimat-MF, -FE, -МХ.

Направление «Технологические процессы»

  • Моделирование изготовления детали с помощью аддитивных технологий.
  • Определение возможных проблем в конструкции (коробление и остаточные напряжения) до начала физического изготовления детали.
  • Оптимизация технологии 3D-печати: подбор скомпенсированной геометрии для печати, оптимального материала и технологических параметров изготовления.
  • Обмен данными между разработчиком 3D-принтера и конечным пользователем.

Реализовано с помощью модуля Digimat-AM.

Направление «Характеристики детали»

  • Определение характеристик (прочность и жесткость) детали, получаемой методом 3D-печати, с учетом микроструктуры в детали после изготовления.
  • Подбор оптимального материала и технологических параметров изготовления.
  • Оптимизация конструкции (усиление армированием или использование «решетчатой» структуры в «ненагруженных» местах).

Реализовано с помощью модулей Digimat-RP, -CAE и -MAP.


В конце ноября 2017 года вышла новая версия — Digimat 2018.0, которая обладает новыми возможностями для работы с аддитивными технологиями:

  • определение характеристик различных видов решетчатых структур в модуле Digimat-FE;
  • более точное моделирование 3D-печати в Digimat-AM (разрушение опор, проектирование анкерных креплений, решение тепловой задачи на макроуровне при моделировании печати всей детали);
  • выполнение в модуле Digimat-RP расчета на прочность детали после 3D-печати.

Дополнительную информацию о программном комплексе Digimat и его возможностях для аддитивных технологий можно получить в ООО «Эм-Эс-Си Софтвэр РУС» или на сайтах корпорации:

Алексей Гонтюк
ООО «Эм-Эс-Си Софтвэр РУС» (Москва)