Cómo la simulación puede ayudar a avanzar en la tecnología de fabricación aditiva

27 04 2018

Fuente: https://www.3ds.com/products-services/simulia/resources/how-simulation-can-help-advance-additive-manufacturing-technology/

Por James Fort y Subham Sett, equipo de diversificación de la industria SIMULIA.

Perspectiva del futuro

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La fabricación aditiva (AM), también conocida popularmente como impresión 3D, es una tecnología de fabricación que ha ido evolucionando desde finales de la década de 1980, pero finalmente se puede decir que está demostrando su valor en muchos campos. Es un proceso de capa por capa mediante el cual material, metal, plástico, aleación o una combinación se fusionan o unen para producir la pieza deseada.

Recientemente, la técnica se ha popularizado más a medida que los avances en la tecnología han llevado la impresión 3D al escritorio y al hogar a través del movimiento Maker. Significativamente, el alcance de AM ahora se está expandiendo más allá del prototipado rápido en aplicaciones industriales tanto de producción de herramientas como de partes directas.

Difícilmente pasa un día sin que aparezca un artículo en las noticias sobre un uso novedoso de la tecnología, ya sea para imprimir un brazo protésico, diseñar sus ingredientes favoritos de chocolate, fabricar un puente en el sitio o imprimir una copia completa coche en sí. Sin embargo, todavía existen retos importantes en cuanto a la confiabilidad y predictibilidad de varios procesos de AM que actúan como barreras para la certificación de piezas y una adopción mucho más generalizada en la industria.

Entonces, la pregunta principal que debemos hacernos en nuestra comunidad es: “¿Cómo puede la simulación ayudar a que la confiabilidad vuelva a los diseños de AM? ¿Podemos diseñar piezas para que se impriman bien la primera vez? “Exploremos.

Hay una serie de áreas clave en las que la simulación puede desempeñar un papel importante en la impresión 3D: generar un diseño funcional, generar estructuras de celosía, calibrar el material, optimizar el proceso de fabricación y el rendimiento en servicio.

AM es único en ofrecer a los diseñadores libertad de las limitaciones de fabricación tradicionales, lo que les permite llevar sus diseños a nuevas alturas para cumplir con los requisitos de ingeniería sin sacrificar la resistencia o el rendimiento de la pieza. La reducción de peso es un ejemplo de esto: las piezas se pueden crear con un mínimo de material necesario para cumplir con los requisitos funcionales especificados. La creación de este tipo de diseños ahora es factible gracias a la tecnología comprobada de optimización de topología no lineal y robusta que SIMULIA ofrece a través del paquete de productos Tosca.

AM también proporciona la capacidad de crear piezas con estructuras internas de celosía extremadamente sofisticadas que no serían posibles a través de las técnicas de fabricación tradicionales. Tales redes permiten una reducción de peso adicional más allá de la proporcionada únicamente a través de la optimización de topología. Las capacidades adicionales de SIMULIA, que se lanzarán más adelante este otoño a través de Tosca, permitirán a los usuarios introducir retículas en sus estructuras, así como también dimensionar esas celosías para crear piezas totalmente funcionales.

Un aspecto crítico en cualquier proceso de AM es ser capaz de caracterizar el material subyacente que se está utilizando. Típicamente, con aleaciones de metal, por ejemplo, se aplica un láser de alta intensidad a un lecho de polvo a lo largo de una ruta guiada por software CAD, fusionando el metal capa por capa para construir la pieza. El metal se derrite localmente y, a medida que la fuente de calor se mueve, se solidifica con la capa previa para crear la parte fusionada. Las transformaciones de fase, las velocidades de enfriamiento y otros parámetros específicos de la máquina, como la velocidad de impresión, guían la metalurgia y las microestructuras que se desarrollan.

Estas partes pueden ser más fuertes que las fabricadas con métodos de fabricación tradicionales, como la fundición, pero las variabilidades en las propiedades mecánicas pueden ser significativas. Por lo tanto, existe la necesidad de capturar la naturaleza multi-escala y multifísica del proceso de fabricación. Aquí es donde el marco de usuario-subrutina de Abaqus ya está permitiendo a los investigadores y la industria modelar la física del comportamiento de la micro-mecánica mientras aprovecha Abaqus como el solucionador global para el macro-comportamiento de las partes.

Además de la caracterización del material, el proceso de fabricación de la impresión en 3D en sí puede introducir brechas importantes entre la parte diseñada y la fabricada. En la parte de diseño, el diseño no presenta tensiones ni distorsiones y se le asignan definiciones de materiales estándar. Sin embargo, durante AM, que en general es un proceso térmico actual, pueden surgir acumulaciones de tensiones residuales, distorsiones de partes y variaciones de material.

Aquí es donde Isight puede proporcionarnos una poderosa herramienta para estudiar los efectos de los parámetros del proceso de fabricación, como el camino de deposición, la orientación de construcción y la intensidad del calor. La herramienta se puede aplicar para optimizar las tensiones residuales, reducir las distorsiones de las piezas y alterar el comportamiento del material para cumplir con las condiciones de servicio de la pieza, ya sean cargas estáticas, cargas dinámicas, vibraciones o cualquier otro problema de ingeniería que usted tenga. ya están resolviendo usando Abaqus.

En última instancia, lo que se busca para los componentes que operan bajo condiciones de carga en servicio es la vida de fatiga de la pieza. La integración profunda de fe-safe® con Abaqus permitirá la evaluación de la vida de fatiga para componentes fabricados aditivamente a medida que los datos del material se desarrollen en investigación.

Entonces, para responder a nuestras preguntas iniciales, sí, la simulación tiene un gran potencial para mejorar la calidad y, por lo tanto, respaldar el crecimiento de la fabricación aditiva en todas las industrias, con una amplia gama de herramientas SIMULIA que pueden abordar muchos de los problemas que surgen a medida que la tecnología se acerca a la madurez.


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