積層造形シミュレーション

SIMULIA の高度なデジタル積層造形ソリューションで未来の製造を模索

デジタル積層造形シミュレーションとは

デジタル積層造形(DAM)とは、材料を追加することで部品または物体を一層ずつ重ねて構築する高度な製造プロセスです。旋削、穴あけ、フライス加工など、従来の切削式の製造手法では、材料を取り除くことで目的の形状に仕上げます。一方、積層造形では、3D プリント技術を利用して、デジタル・モデルから直接コンポーネントを作製します。

デジタル積層造形の仕組み

デジタル積層造形では、部品や製造ベッドのデジタル・モックアップ(DMU)が作製されます。そのためには以下が必要です。

  • 3 次元 CAD リプレゼンテーション: 目的とする最終製品を描写する幾何学的設計。
  • 製造プロセスリプレゼンテーション: 材料押出、再コーティング、スキャン・パス、エネルギー堆積などの手法の詳細な説明。

プロセス全体がデジタルで管理され、生成されるデジタル・スレッドが加工コードに変換され、製造時に機械が従うべき具体的なコマンドが提供されます。

 

デジタル積層造形におけるシミュレーションの役割

積層造形(AM)には固有の課題がありますが、シミュレーションによってこうした障害をイノベーションのチャンスに変えることができます。

  • 設計の最適化: AM における自由な設計には、新たな考え方が必要になります。シミュレーションにより、サポート構造を効果的に統合して製造上の不具合を防止しながら、最適な形を探ることができます。
  • 性能の理解: 化学反応や熱処理による相変化は、製品の性能に大きな影響を与えます。シミュレーションにより、製造中に発生する可能性のある残留応力とひずみを予測することで、全体的な信頼性を向上させることができます。
  • 成功の確度を高める高度なツール: 有限要素解析や計算流体力学などのシミュレーション技術により、仮想プロセス・テストとリバース製品エンジニアリングが可能になります。こうしたツールを使用することで、設計と製造を改善する貴重なインサイトが得られます。
  • 効率性の向上: シミュレーション機能を使用することで、メーカーは開発サイクルを短縮し、コストを削減し、意思決定を向上させることができます。潜在的な問題が発生する前に予測して対処できるため、プログラム・リスクが軽減され、確実に質の高い成果を上げることができます。

積層造形シミュレーションの主なメリット

材料の節約

廃棄量を最小限に抑え、先進材料(例:TPUフィラメント、超合金)を活用できます。

設計の柔軟性

ジェネレーティブ・デザイン手法を用いて、複雑な形状や軽量な構造を設計できます。

プロセスの合理化

複数のコンポーネントを 1 つの部品に統合して、組み立ての時間とコストを削減できます。

持続可能性の向上

環境に優しい製造手法を推進できます。

3DEXPERIENCE プラットフォームによるコラボレーションの向上

デジタル化により、設計を直線的なプロセスからコラボレーティブ・プロセスに転換することで、市場投入までの時間とコストを最小限に抑えることができます。コラボレーティブ・エンジニアリングでは、製品ライフサイクル全体を通じた効率的なコンテンツ共有を重視します。 

積層造形向け設計(DfAM)は、ジェネレーティブデザインとトポロジー最適化を活用する学際的アプローチにより新たな可能性を創出します。シミュレーションによる仮想テストは、製造プロセスや設計仕様と密接に関連するビルドエラーの予測可能性や造形後の製品性能に関する重要な知見を提供します。

3DEXPERIENCE プラットフォームは、さまざまな分野をまたぐシームレスなデータ統合を可能にし、コンテンツ・ライフサイクル管理に対応し、コラボレーティブ・エンジニアリング環境を培うことができます。効果的なコンテンツ・ライフサイクル管理、成熟度、堅牢なデータ編成により、問題解決、変更管理、ルーティング、テストを強化し、生産性の高いコラボレーション環境を培うことができます。

積層造形デジタル・スレッド

ダッソー・システムズは、製品設計から製造、シミュレーションに至るまで、あらゆる分野を結びつける真のエンドツーエンド開発チェーンを実現し、積層造形技術の能力を最大限に引き出す統合アプリケーション群を提供します。3DEXPERIENCE プラットフォームは、多数の高度なロールと充実した強力なアプリケーションを提供し、デジタル製品開発のあらゆる側面に対応します。3DEXPERIENCE プラットフォームが提供するデジタル・スレッドにより、以下のタブで説明しているように、こうした直感的に操作できる強力なアプリケーションを密接に連携させることができます。

3DEXPERIENCE Marketplace

3DEXPERIENCE Make は、設計者やエンジニアと産業製造サービス・プロバイダーをつなぐオンデマンドの製造プラットフォームです。設計者、エンジニア、買い手、製造計画者から成る産業エコシステムを、Xometry、Sculpteo、American Additive、Get It Made、Any-Shape などの産業製造サービス・プロバイダーと結び付けます。 

当社の堅牢なアルゴリズムにより、3D プリントや CNC 加工プロジェクトに対応するサービス・プロバイダーのネットワークから数秒で見積もりを取得できます。

プロセス設計と製造計画

3DEXPERIENCE プラットフォーム上の製造アプリケーションは、積層造形ソリューションおよび機械に関連する生産・製造プロセスの設計と計画のためのガイド付きワークフローを提供します。ビルドボリュームやプレートの作成・再利用から開始し、ビルドボリュームの最大活用に向けた部品の自動配置、最適な部品配置方向の評価と最小サポート構造の計算のためのルールの作成・再利用を行います。ビルド全体または個別部品に対するスライシング、スキャンパターン、プロセスパラメータのカスタムルールを指定します。診断チェック用のスキャンパスを可視化し、下流工程のバーチャルプリンティングシミュレーションや解析でプロセスデータを再利用できます。

お客様事例

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積層造形のリソース

Distortion Prediction of Ti6Al4V Parts in Selective Laser Melting: An Industrial Case Study

Rapid heating and cooling in the Selective Laser Melting (SLM) additive manufacturing process generates large amounts of tensile residual stresses in the component. These stresses lead to part distortions and poor product performance. In most cases, distortions become more significant after cutting the part from the build tray and removing support structures. In this study, a complex topology optimized Gimbal Mount was considered for physical printing and finite element analysis of the print process. Th component was printed using Ti6Al4V material on an SLM machine and measurement points were taken on its outer profile. This data was compared with original geometry and simulation results. A good agreement was found between simulation and experimental results which was helpful in part development and establishing the technology.

Customer Papers

Additive Manufacturing Part Level Distortion Sensitivity Analysis within Abaqus on a Thinwalled, Tubular Structure

As additive manufacturing (AM) evolves to become a more viable production solution in terms of cost, quality, and time, the need for predictive simulation of the process grows as well. After testing several commercial offerings to see how well they could predict deformation of various parts, Abaqus was found to be the most promising option and chosen for a more in depth analysis. The scope of this particular project was to examine the effects of certain simulation choices – from basics (mesh, time stepping, element type) to unique AM convergence techniques (full/partial activation, expansion time constant, follow deformation, etc.). Hundreds of simulations were run in Abaqus with various permutations and the resulting response on the final deformation and stress state was tracked.

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Influence of Surrounding Powder Bed and Build Platform on Thermal Cooling Characteristics in 3D Printed Parts via Selective Laser Melting

Selective laser melting (SLM) leads to high cooling rates and correspondingly high residual stresses, which can distort the printed part on the printing platform and even lead to part cracking and consequent print failure. The temperature profile and cooling rates during the SLM process are influenced by the surrounding powder bed and building platform, which can act as a significant heat sink depending on part design and platform arrangement. The new functionality of the Abaqus additive manufacturing simulation framework allows for separate modelling of solid (laser exposed) material, powder bed (not exposed) and platform (not exposed), as well as evolving heat transfer surfaces for the AM part. In this paper we highlight the influence of the surrounding powder bed and platform on the thermal characteristics of the printed part.

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A metallurgical phase transformation framework applied to SLM additive manufacturing processes

While significant progress has been made in the last few years, the reliability of Additively Manufactured (AM) parts is often less than desirable as they suffer from manufacturing defects and hence subpar strength and fatigue life. To address this challenge, numerical methods are sought to provide insight into the process and help accelerate progress in raising the quality of AM parts. In metal AM applications, assessing the amount of unfused powder, melt pool volumes, and metallurgical phase transformations is often of interest. In this work, we introduce a generic framework for assessing metallurgical phase transformations, building on a previously-developed general simulation framework for predicting temperature evolution, distortions, and residual stresses.

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Phase Transformations in Metals during Additive Manufacturing Processes

The impetus of additive manufacturing (AM) technology in the last few years is significant. However, in many cases the reliability of the technology leads to parts that suffer from manufacturing defects and hence subpar strength and fatigue life when compared to parts manufactured with conventional technologies. Sustained experimentation is often required and computer simulations, like in many other fields before, are sought to provide significant insight into the process such that progress in raising the quality of AM parts can be achieved. This paper presents a sequential thermals-stress modelling approach of additive manufacturing processes of titanium alloy Ti-6Al-4V parts leveraging a new physics-based framework in a general-purpose finite element code (Abaqus).

Community News

Predicting the Properties of Additively Manufactured Parts

In this paper, thermo-mechanical-metallurgical simulations of Ti-6Al-4V parts produced by SLM are validated against experimental measurements. The work involves the simulation of the SLM process and the prediction of location-specific microstructural features (such as grain size, morphology characteristics and phase fractions). A framework for more generally predicting the mechanical properties of printed parts is then presented. This involves the implementation of a novel mapping between microstructural quantities and tensile properties at each material point. The results demonstrate the potential that the powerful new features of Abaqus2017 have for simulating AM processes.

Customer Papers

積層造形シミュレーションの外部リソース

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その他の情報

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