REDITIVE.COMPENSATION

Аддитивные технологии обладают множеством преимуществ перед механообрабатывающими и формообразующими методами производства. Достоинства 3D-печати заключаются в существенном снижении сроков и упрощении технологической цепочки производства, в возможности оптимизации конструкции и в увеличении эксплуатационных параметров детали.

Однако возникновение технологических деформаций в аддитивном производстве приводит к низкой точности конечных деталей и заготовок. Из-за этого увеличиваются срок, стоимость и трудоемкость их изготовления и постобработки. Таким образом, ключевые преимущества 3D-печати не реализуются.

В этой статье мы расскажем об основных методах предотвращения высоких короблений деталей, а также
продемонстрируем собственную разработку для эффективного решения данной проблемы — REDITIVE.
COMPENSATION©. Наше программное обеспечение позволяет быстро и с минимальными усилиями решать проблемы технологических деформаций, как в металлической, так и в полимерной 3D-печати. REDITIVE.COMPENSATION© уже успешно применяется КБ «РЭДИТИВ» для снижения технологических деформаций в аддитивном производстве.

Технологические деформации в процессе аддитивного производства
В большинстве методов 3D-печати технологические деформации возникают из-за неравномерной усадки заготовки. Их интенсивность и неравномерность зависят от ряда факторов:

• тип используемой аддитивной технологии;
• режимы работы конкретной установки;
• конструкция и геометрия детали;
• последующие технологические операции.

Технологических деформаций в процессе 3D-печати избежать невозможно. При этом они негативно сказываются на экономической и технологической эффективности аддитивного производства.
Дополнительный припуск, который может решить эту проблему, увеличивает стоимость и время 3D-печати заготовки, трудоемкость последующей механической обработки и износ инструмента. Технологические деформации на сложнопрофильных элементах конструкции, которые не имеют и не предполагают припуск для механической обработки, негативно влияют на геометрическую точность детали, ее прочность, аэродинамические и другие эксплуатационные характеристики.

Поэтому разработка методов снижения и предотвращения технологических деформаций является важной
и актуальной темой для всей индустрии аддитивного производства.

Методы снижения технологических деформаций
На практике реализуются несколько способов предотвращения высоких короблений:

• метод технологической адаптации;
• метод предварительной деформации заготовки, где искажения модели в процессе 3D-печати не уменьшаются, а используются для смещения геометрического профиля до идеальной, номинальной формы. Для применения этого метода создается новая предварительно деформированная (предеформированная или скомпенсированная) модель заготовки.

Способы первой группы заключаются в оптимизации тепловложения и жесткости заготовки за счет
ее положения, режимов 3D-печати, специальных конструктивных элементов (силовые пояса и ребра, теплоотводы). Это обеспечивает незначительное снижение короблений, но приводит к увеличению трудоемкости постобработки и удорожанию 3D-печати. Использование данного метода ограничено и не подходит для тонкостенных, сложнопрофильных деталей. Метод предеформации является более эффективным и результативным. Он заключается в изменении исходной модели таким образом, чтобы возникающие в процессе 3D-печати технологические деформации, искажали геометрию детали до идеальной, требуемой формы. Получить предеформированную модель можно при помощи компьютерного моделирования аддитивного процесса или инверсией реальных отклонений.

Предеформация в REDITIVE.COMPENSATION© основана на продвинутых методах обработки результатов отклонений реальных деталей. Создание компенсированной заготовки происходит в несколько этапов:

• загрузка, анализ и выравнивание результатов отклонений (оптическое 3D-сканирование или компьютерная томография, формат STL) и номинальной CAD-модели (формат STL);
• создание и экспорт предеформированной модели.

Аналогичным образом происходит компенсация технологических деформаций в программах моделирования аддитивных процессов. Но у них есть ключевое отличие — деформированная модель вычисляется на компьютере при помощи специальных численных методов. На данный момент используются следующие подходы компьютерного анализа 3D-печати: многоуровневое термомеханическое моделирование (ANSYS ADDITIVE©, FLOW-3D AM©, Autodesk Netfabb Simulation©), метод собственных деформаций (Oqton Amphyon©, Materialise Magics Simulation©, Simufact Additive©). Они достаточно корректно определяют деформации заготовок простейших форм, но в сложных случаях точность моделирования, а, следовательно, и эффективность предеформации снижается. Это происходит из-за накопления ошибок на этапах гомогенизации поддержек (моделирование сложных периодических структур объемными элементами со специальными характеристиками), упрощения начальных и граничных условий в механическом, тепловом или термомеханическом анализе процесса 3D-печати.

Сравнение REDITIVE.COMPENSATION с конкурирующими решениями и подходами

Помимо нашего решения, метод предеформации по результатам реальных отклонений реализован в Volume Graphics© — программе для анализа и визуализации данных промышленной компьютерной томографии. В ходе тестирования и сравнения ПО на нескольких прикладных примерах мы определили, что REDITIVE.COMPENSATION© корректнее и точнее обрабатывает входные данные и создает предеформированную модель без геометрических ошибок. Это обеспечивается за счет собственного алгоритма, в основе которого лежат методы машинного обучения, в частности нейронная сеть. Разработанная архитектура нейронной сети определяет общий характер деформации детали. При этом не учитываются локальные дефекты как самой заготовки (смещения, шероховатости,
остатки от поддерживающих структур), так и дефекты 3D-сканирования (затененные зоны, несплошности, пустоты и другие). Благодаря этому, алгоритм точно вычисляет компенсированное состояние детали, а геометрия предеформированной модели имеет более сглаженные поверхности, чем у конкурентных решений.

В завершение сравнения выделим преимущества метода предеформации и ПО REDITIVE.COMPENSATION©:

• более высокая точность компенсации деформации для сложнопрофильных и крупногабаритных заготовок;
• процесс предеформации сокращается в разы, с нескольких дней до одного часа;
• для создания компенсированной модели не требуются опыт компьютерного моделирования, мощная вычислительная техника, большое количество исходных данных о материале и параметрах процесса;
• это полностью отечественная разработка.

Примеры использования REDITIVE.COMPENSATION

КБ «РЭДИТИВ» активно использует данный продукт в конструкторско-технологической подготовке аддитивного производства. Первые пилотные проекты нашего решения: корпуса датчика и редуктора, которые изготавливались по технологии SLM. Технологические деформации исходных конструкций превышали ± 0,6 мм. После предеформации, коробления заготовок не превышали ±0,1 мм на ответственных поверхностях. Проекты выполнялись по заказу АО «ОДК-Авиадвигатель» и АО «Редуктор-ПМ».

Следующий сложный проект — предеформация крупногабаритных заготовок элемента авиационного двигателя. Первые партии изготавливались по технологии проволочной наплавки из стали, а затем из титана. Из-за больших габаритов (высота заготовки — 900 мм) и сложного геометрического профиля в процессе 3D-печати возникали высокие технологические деформации. Усложняла ситуацию термическая обработка. Она вносила дополнительные несимметричные коробления из-за особого расположения и фиксации заготовки в термопечи. По завершении 3D-печати и термообработки максимальные технологические деформации титановой заготовки были около 10 мм. Предеформация, выполненная в REDITIVE.COMPENSATION©, позволила снизить технологические коробления до 2 мм. Благодаря этому припуск и, как следствие, материалоемкость заготовки, трудоемкость и стоимость постобработки были существенно снижены. В результате скорость изготовления конечной детали сократилась с четырех месяцев до нескольких недель. Проект выполнялся по заказу АО «Пермский завод «Машиностроитель».

REDITIVE.COMPENSATION© может использоваться для снижения технологических деформаций и в полимерной 3D-печати. Это подтверждается совместным проектом с Harz Labs (ведущий российский производитель фотополимеров для DLP/LCD и SLA 3D-принтеров), в котором удалось снизить технологические деформации стоматологических моделей для производства элайнеров более чем в два раза.

Заключение

Используя REDITIVE.COMPENSATION© в своем технологическом процессе, вы получите:

• снижение остаточных деформаций и увеличение точности 3D-печати до десяти раз;
• быструю генерацию предеформированных моделей с минимальными усилиями, даже на основе исходных данных с дефектами фасетной сетки;
• снижение себестоимости аддитивного производства.