Optimerade komponenter direkt från skrivaren - med simulering

Under 3D-utskriftsprocessen skapas en komponent genom smältning, bindning eller sammansmältning av en föreskriven mängd material, vilket minimerar mängden avfall. Det innebär inte att 3D-utskrift är helt utan restprodukter. Utskriftsformen i sig kräver stöd eller strukturer som förhindrar deformation av en komponent under utskriftsprocessen, vilket resulterar i en liten mängd kasserat material. Men vad händer om en utskrift misslyckas?

Ingenjörer kan i värsta fall behöva skrota ett betydande antal komponenter och material för att uppnå önskat resultat under prototypfasen. Fel upptäcks ofta först efter att en felaktig komponent har tillverkats och då ganska sent i processen, alternativt upptäcks det halvvägs in i tillverkningen att det inte är värt att fortsätta skriva ut den. Utvecklingsmetoder för Additiv tillverkning kan fortfarande vara obekanta för tillverkande företag, och att förlita sig på en trial-and-error-metod för utskrift är opraktiskt. Genom att använda Ansys mjukvara för simulering kan Combitech, ett oberoende teknikkonsultföretag främst i Norden, hjälpa sina kunder att identifiera problem som leder till misslyckade utskrifter av komponenter.

“Vi konstruerar och simulerar produktionsprocessen på detaljnivå, säger Tomas Sjödin, chef för Computer Aided Engineering (CAE) och analys på Combitech. ”För vissa kunder gör vi enbart konstruktionsarbetet, och för andra kunder simulerar vi även produktionsprocessen. Vi simulerar även prestandan för själva komponenten, med hänsyn till variabler som exempelvis funktion, styvhet och hållfasthet."

Att dra gränsen mellan framgång och misslyckande

Idén att simulera tillverkningen uppstod ur Combitechs väletablerade arbetsmetoder för utveckling av konstruktioner i tunnplåt, där simuleringar av plåtformningen är ett viktigt inslag. Förutom att uppnå en slutlig konstruktion som uppfyller kundens krav, säkerställer metodiken att produkten framgångsrikt kan tillverkas. På samma sätt ökade Combitech sin aktivitet inom additiv tillverkning för att effektivisera tillverkningen för sina kunder. De ville initialt kunna simulera en faktisk produktionscykel i 3D-skrivaren för att identifiera eventuella problem under utskriftsprocessen som leder till misslyckande. Combitech har tillsammans med Ansys genomfört ett antal projekt för att stärka sin kompetens inom området.

“Bland våra kunder ser vi en ökad användning av 3D-utskrift, både för att spara tid och öka prestanda”, säger Sjödin. ”Jag kommer från fordonsindustrin och har jobbat mycket med utveckling av karosser i tunnplåt. För varje enskild komponent i plåt som tillverkas finns det en plåtformningssimulering av den innan den tillverkas, utan undantag. Detta för att hitta och lösa alla problem innan verktyg beställs. Vi använder samma strategi för 3D-utskrift – innan varje del skickas till skrivaren bör processen simuleras för att undvika utskriftsfel innan produktionen börjar.”

När precisionen kokas ner till en fraktion av en millimeter

Med hjälp av Ansys simuleringslösningar har Combitech genomfört ett forskningsprojekt och två industriprojekt inom försvarsindustrin. Ett av dessa projekt inom selektiv lasersmältning (SLM), en variant av additiv tillverkning som kräver en laser med hög effektdensitet för att smälta samman metallpulver. Denna metod användes på en del som inkluderade kylkanaler för att bibehålla specifika mekaniska egenskaper och kyla ner elektronik. Varje kylkanal mättes ner till 1 millimeter i diameter. Ett annat krav var att ytan skulle vara plan ner till 0,1 millimeter, fräsning som efterbearbetning var uteslutet vilket ställde höga krav på ytan.

Den stora utmaningen var att uppnå en detaljerad geometri som krävde en mycket fin mesh med långa simuleringstider. I det här scenariot ville Sjödins team se om Ansys Additive Suite kunde hantera de höga kraven på noggrannhet. Det övergripande målet var att genomföra ändringar i geometrin för att uppnå mindre distorsion och möta kraven på den slutliga geometrin främst med avseende på plan yta. Till en början var detta en utmaning för kunden – den första delen de tillverkade hade en ytavvikelse på 1 millimeter.

Med hjälp av flera verktyg i Additive Suite importerades geometrin som STEP-filer och maskindata samlades in från skrivaroperatören. Efteråt jämförde teamet simuleringsresultaten med skannade data. Additive Suites integrationsmöjligheter var avgörande för Combitechs övergripande framgång, vilket gjorde det möjligt för dem att sömlöst importera delgeometri från STEP-filer för analys. De använde också sina egna skript för att jämföra skannade data från verkliga komponenter med simuleringsresultaten, vilket hjälpte dem att identifiera orsakerna till avvikelser i tillverkning och komma fram till en annan lösning för sina kunder.

För- och efterbearbetning gjordes på laptops i Windowsmiljö; dock gjordes alla analyser på ett Linux-kluster med ett stort antal processorer. På grund av den detaljerade geometrin var ingenjörer tvungna att använda en mycket fin mesh som krävde långa simuleringstider för att genomföra simuleringarna och möta kundernas krav på den slutliga geometrin.

Additive Suite minskar kundkostnaderna

Sjödins team nådde också framgång med Additive Suite för ett mindre WAAM-projekt (wire arc additive manufacturing) som är en variant av DED (direct energy deposition) – en teknik för direkt energideponering som ofta används för att 3D-printa metalldelar eller lägga till funktioner till en befintlig metallstruktur. Teamet ville tillsammans med kunden undersöka möjligheten att simulera WAAM-processen för en mindre komponent och en annan metod än vad som tidigare använts. Med hjälp av Additive Suite lyckades teamet fånga de övergripande fenomenen och få förtroende för den metod, resultat, verktyg och timing som krävs för tillverkningen med denna typ av applikation.

“Resultaten är mycket lovande för Ansys Additive Suite när det kommer till att fånga fysiska fenomen som uppstår i verkligheten”, säger Sjödin. "Jag är övertygad om att simuleringar av tillverkningsprocessen för additiv tillverkning kommer att bli standard i framtiden, på samma sätt som simulering av plåtformning är idag. Genom att använda Ansys simuleringar kan vi minska antalet felaktiga komponenter och kan korrigera en design innan det kostar våra kunder mer tid och pengar.”

Ansys verktyg, inklusive Additive Suite, har dramatiskt förbättrat den övergripande kvaliteten av komponenter samtidigt som utvecklingsprocessen har påskyndats för Combitech-kunder. Med hjälp av de här verktygen kommer Combitech att fortsätta sätta nya kvalitetsstandarder för utveckling med simulering som ger lättare lösningar inom flyg, medicin, transport, energi, konsumentprodukter och mer.

Ansys Simulation Software: En katalysator för miljöförändringsarbete

Vinnovas strategiska innovationsprogram (SIP) Production2030, ett initiativ som finansierar avancerade forskningsprojekt som skapar hållbar konkurrenskraft för svensk tillverkning. I ett av dessa projekt, DiSAM, deltog mer än 20 industripartners, Combitechs del i detta projekt var att simulera tillverkningsprocessen. Projektet studerade den digitala kedjan från start till mål, från ide till tillverkning. Det innebar ett stort informationsflöde med mycket dokumentation, från krav ner till pulvrets spårbarhet med mera. För att noggrant studera det digitala informationsflödet under 3D-utskriftsprocessen gjordes ett antal pilotfall med avsikten att efterlikna arbetsflödet i ett verkligt projekt som involverar tillverkning av flera delar. I ett av dessa pilotfall ansvarade Combitech för att simulera tillverkningsprocessen med Additiv Suite. Det slutliga målet med projektet var att mäta effektivitet och spårbarhet längs den digitala produktionskedjan.

“Normalt när man tillverkar med traditionella verktyg kan man alltid gå tillbaka till de verktyg man har för att reproducera och se vad man kan kontrollera, eller vad man kan få ut av produktionen”, säger Sjödin. "Men när det kommer till 3D-utskrift kan du skicka din 3D-utskriftsdata till en skrivare i Sverige, USA eller var som helst, vilket innebär att du tappar kontrollen över din data och kvaliteten på produkten. Du kan också förlora din data. Du vill se till att du har rätt cybersäkerhet på plats så att ingen kan stjäla din data och använda den i andra fabriker. Ansys simuleringslösningar är en viktig komponent i den digitala kedjan."

Om Combitech:

Combitech är en nordisk lösnings- och konsultpartner med tjänster inom bland annat digital transformation, cybersäkerhet och totalförsvar. Vi är 2100 medarbetare, som hjälper företag, industri och offentlig sektor att dra nytta av teknik och digitalisering för ett hållbart och säkert samhälle. www.combitech.se Combitech är ett självständigt bolag inom försvars- och säkerhetskoncernen Saab.

Om Ansys:

When visionary companies need to know how their world-changing ideas will perform, they close the gap between design and reality with Ansys simulation. For more than 50 years, Ansys software has enabled innovators across industries to push boundaries by using the predictive power of simulation. From sustainable transportation to advanced semiconductors, from satellite systems to life-saving medical devices, the next great leaps in human advancement will be powered by Ansys.

Take a leap of certainty … with Ansys.