XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
Михаил А. Петров (доцент кафедры «ОМДиАТ», к.т.н., Dr.-Ing.)
Антон В. Кириков (магистрант кафедры «ОМДиАТ»)
Борис Ю. Сапрыкин (зав. лабораторией «Аддитивные технологии» кафедры
«ОМДиАТ»)
Алексей П. Гонтюк (технический эксперт компании «ЭМ-ЭС-СИ СОФТВЭР РУС»)
25.10.2017
Применение Digimat-AM и 3D-сканера AICON
SmartScan-HE при проектировании и
изготовлении деталей из пластика
методом 3D-печати
часть 1: верификация результатов моделирования
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
2
Московский политех
52 кафедры
11 факультетов
5 институтов
Факультет машиностроения
8 кафедр
Кафедра «Обработка материалов
давлением и аддитивные технологии»
3 лаборатории + 1
www.mospolytech.ru
основан 1 сентября 2016 г.
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
3
1. О существующих технологиях 3D-печати FFF и FDM
2. Общая концепция исследования
3. Выбор конструкционных деталей
4. Определение коробления плоскостных элементов
5. Сравнение результатов 3D-моделирования и 3D-печати
(верификация моделирования)
6. часть 2: определение карты отклонений бесконтактным
способом (Пименов А.С., Седаева А.С.)
Содержание
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
4
Технология FFF (Picaso)
Технологии 3D-печати FFF/FDM
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Моделирование_методом_наплавления
1 – экструдер (печатающая головка);
2 – послойно-нанесённый материал;
3 – платформа.
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
Параметры Значения
3D-принтер UPrint
Толщина слоя, мм 0,25-0,33
Температура сопла экструдера, °C 310
Технология FDM (Stratasys)
5
Технологии 3D-печати FFF/FDM
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
сопло 0,3 мм сопло 0,5 мм
для неармированных материалов для армированных материалов
Технологии 3D-печати FFF/FDM
Технология FFF (Picaso)
6
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
Концепция исследования
часть 1часть 2
AICON
карта отклонений 7
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
8
Деталь «Сегмент крыла» (вариант 1)
Параметр Значение
Масса детали, кг -
Объём детали, мм3 -
Материал/плотность, г/см3 АБС-пластик/1,06
3D-проектирование
готовый stl-файл
(grabCAD)
0,5 мм 1,0 мм
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
9
Деталь «Сегмент крыла» (вариант 2)
Параметр Значение
Масса детали, кг 0,058
Объём детали, мм3 44 021, 277
Материал/плотность, г/см3 АБС-пластик/1,06
Полиамид + УВ/1,01
3D-проектирование
прямое, при помощи
CAD-программы
0,4 мм 0,8 мм 1,2 мм
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
переменное сечение
0,4 мм 0,8 мм
1,2 ммМатериал для печати:
ABS (АБС-пластик)
PA12+CF (нейлон+углеволокно)
Принтер/технология печати:
Picaso/FFF
uPrint/FDM
3D-проектирование
1 2 3
1 2
3
10
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
11
Параметр Значение
Масса детали, кг -
Объём детали, мм3 -
Материал/плотность, г/см3 АБС-пластик/1,06
готовый stl-файл
(grabCAD)
сложный криволинейный
профиль
8 мм
3D-проектирование
Деталь «Крыльчатка»
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
3
0,4; 0,8 и 1,2 мм
3D-проектирование
Твердотельная геометрия калибровочного уголка у указанием варьируемых
размеров и составных элементов.
полка 1 полка 2
12
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
ПЛАТФОРМА ПЛАТФОРМА
ПЛАТФОРМА
0,4 мм 0,8 мм
1,2 мм
печать трёх уголков, параллельная
ориентация, «лёжа» (для трёх
значений полки №2)
3D-проектирование
13
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
ПЛАТФОРМА
3D-проектирование
Параметр Значение
Масса детали, кг ~ 0,004
Объём детали,
мм3 3 621; 4 009; 4 389
Материал/
плотность, г/см3
АБС-пластик/1,06
Полиамид + УВ/1,01
печать трёх уголков, перпендикулярная
ориентация, «стоя» (для трёх значений
толщины полки №2)
14
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
15
ABS (FFF, FDM), PA12+CF (FFF)
ABS (FFF)
Digimat-AM, только FFF
(полимеры и композиты на их основе)
План проведения численного моделирования
Цель исследования: провести сопоставление (верификацию)
результатов численного моделирования и печати на 3D-принтере
без поддержек
выгрузка
скомпенсированной
геометрии
часть 2: получение карты
отклонений размеров
Деталь №1 Деталь №2
часть №2
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
16
ABS (FFF), PA12+CF (FFF)
«лёжа»
Digimat-AM, только FFF
(полимеры и композиты на их основе)
План проведения численного моделирования
Цель исследования: определить коробление полки №2, толщина
которой соответствует толщине стенки детали 1
без поддержек
«стоя»
Деталь №3
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
Материал для печати:
ABS (АБС-пластик)
Материал для печати:
PA12+CF (нейлон+углеволокно)
сопло 0,3 мм сопло 0,5 мм
подготовка stl-модели
Подготовка данных для 3D-печати
17
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
подготовка gcode
Подготовка данных для 3D-печати
18
Материал для печати:
ABS (АБС-пластик)
Материал для печати:
PA12+CF (нейлон+углеволокно)
сопло 0,3 мм сопло 0,5 мм
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
Параметры Значение
Тип сопла SR
Высота слоя 0,25 мм
Процент заполнения 100%
Поддержка слабая
Время отключения
подогрева столасразу
Область печати 250 х 250 х 250 мм
Скорость печати 60 мм/с
Мин. толщина слоя 0,25 мм
Диаметр сопла 0,3 мм и 0,5 мм
Макс. мощность 400 Вт
Технологические параметры (общие настройки) в
программе Polygon v.2.0
Выбранные характеристики 3D-принтера
Принтер для трёхмерной печати
Picaso 3D Designer
Источник: http://picaso-3d.com
Численное моделирование: выбор оборудования (полимер)
19
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
АБС (ABS) – акрилонитрилбутадиенстирол, термопластик
Химическая формула: (C8H8)x·(C4H6)y·(C3H3N)z
Международный номер CAS: 9003-56-9
Возможный тип структуры: аморфный и полукристаллизованный
Параметры
Значение параметра
из литературы по ГОСТ* по данным
спецификаций
Плотность, г/см3 1,04 – 1,12 1,03 – 1,05 1,04 – 1,05
Модуль упругости, ГПа 1,9 – 2 ,7 - 1,6 – 2,3
Предел прочности, МПа 32 – 56 - 22 – 36
Относительное
удлинение, %15 – 40 3 – 7 4 – 6
Твердость HR (R): 75 – 120 98 -
* номера ГОСТов: плотность 15139; предел прочности 11262; твердость 4670;
модуль упругости (гибка) 9550-81
20
Свойства материала
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
21
Свойства материала
МатериалКомпаунд на основе PA 12 с наполнением
углеволокном, до 10%
НазначениеИзготовление износостойких, устойчивых к
агрессивным средам деталей
Прочность на разрыв, МПа 30
Прочность на растяжение, МПа 27
Удлинение при растяжении, % 11,8
Удлинение при разрыве, % 15,5
Модуль упругости при растяжении, МПа 995
Твердость по Шору, ед. 67
Плотность, г/см3 1,01
Ударная вязкость кДж/м2 20,87
Параметры печати:
- температура сопла, С 235–245
- температура стола, С 100
- рекомендуемая скорость печати, мм/с 25–50
По данным производителя материала: http://www.u3print.com/shop/plastics/u3-nylon-super-carbon-2/
ПА 12 (PA12) – полиамид 12, нейлон, термопластик
Химическая формула: (C12H23NO)n
Международный номер CAS: 24937-16-4
Возможный тип структуры: аморфный и полукристаллизованный
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
22
Результаты 3D-печати: дефекты
Деталь №3
Толщина полки №1
Ко
ро
бл
ен
ие
, м
м
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
ПА+УВ, «стоя»
23
Результаты 3D-печати
АБС, «стоя» АБС, «лёжа»
0,4
мм
0,8
мм
1,2
мм
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
24
Результаты моделирования
АБС и ПА+УВ, «стоя»
за 2 шага до окончания
расчета
шаг окончания
расчета
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
25
Результаты моделирования
АБС и ПА+УВ, «стоя»
исходная геометрия и искаженная
форма (коэффициент подобия
равен 10)
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
26
Результаты моделирования
АБС и ПА+УВ, «лёжа»
за 2 шага до окончания
расчета
шаг окончания
расчета
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
27
Результаты моделирования
АБС и ПА+УВ, «лёжа»
исходная геометрия и искаженная форма
(коэфициент подобия равен 10)
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
28
Результаты моделирования
АБС и ПА+УВ, «стоя» АБС и ПА+УВ, «лёжа»
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
29
исходная геометрия
АБС-пластик (FFF)
отредактированная
геометрия
АБС-пластик (FFF)
отредактированная и
скомпенсированная
геометрия
PA12+CF (FFF)
Результаты 3D-печати
отредактированная и
скомпенсированная
геометрия
АБС-пластик (FDM)
исходная геометрия
АБС-пластик (FFF)
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
30
волнистость
лопаток
Результаты 3D-печати: дефекты
деламинация
и срыв
геометрии на
плавном
криволиней-
ном переходе
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
31
Результаты 3D-печати: дефекты
АБС, нескомпенсированный вариант 1,
FFF
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
32
Результаты 3D-печати: дефекты
АБС,
скомпенсированный
вариант 2, FFF
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
33
Результаты 3D-печати: дефекты
АБС,
нескомпенсированный
вариант 2, FFF
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
34
Результаты моделированияАБС, нескомпенсированный вариант 1
за 2 шага до окончания расчеташаг окончания расчета
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
35
Результаты моделирования
ПА12+УВ, нескомпенсированный вариант 2
за 2 шага до окончания расчеташаг окончания расчета
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
36
исходная геометрия
после усадки
скомпенсированная геометрия
скомпенсированная геометрия
после усадки
R
Результаты моделирования
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
37
Результаты моделированияАБС, скомпенсированный вариант 2
за 2 шага до окончания расчеташаг окончания расчета
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
38
Результаты моделирования
коэффициент подобия равен 20
АБС, скомпенсированный вариант 2
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
39
Результаты моделирования
ПА+УВ, нескомпенсированный вариант 1
ПА12+УВ, нескомпенсированный
вариант 2
АБС, скомпенсированный вариант 2
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
40
Результаты 3D-печати: дефекты
АБС, скомпенсированный вариант 2, FDM
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
41
Сравнение сеток в модуле MAP
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
42
Сравнение сеток в модуле MAP
скомпенсированная геометрия
нескомпенсированная геометрия
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
43
Полученные результаты исследования
1. Проведена 3D-печать по технологии FFF и FDM прототипов деталей
«Сегмент крыла» и «Крыльчатка» из АБС-пластика и армированного
коротким углеволокном полиамида 12 на 3D-принтерах бюджетного класса
(FFF), а также полупрофессионального класса (FDM).
2. Проведено компьютерное моделирование процессов АП по технологии FFF
(ПО Digimat) для материала АБС-пластик и ПА12+УВ. Общее коробление
виртуальных прототипов составило:
АБС (НСГ, вариант 2): 2,473 мм
ПА12+УВ (НСГ, вариант 2): 2,864 мм
АБС (СГ, вариант 2): 2,5145 мм
3. Проведена верификация результатов численного расчета с
экспериментальными результатами.
4. Подготовлен прототип для оптического сканирования и получения карты
отклонения размеров (часть 2).
XXI Международная конференция
«Компьютерные системы инженерного
анализа MSC Software», 24 – 25 октября 2018,
ГК «Измайлово»
Спасибо за внимание!
Адреса эл. почты:
http://mospolytech.ru/index.php?id=869