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。

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積層造形のリソース

Prediction of the Degree of Bonding in the Extrusion Deposition Additive Manufacturing Process of Semi-Crystalline Polymer Composites

The Extrusion Deposition Additive Manufacturing (EDAM) process is a manufacturing process used to produce three-dimensional objects made by deposition of molten polymer composite in a layer-by-layer fashion. Printing with fiber reinforced, semi-crystalline polymers provides for the manufacture of molds that can be used in high-temperature composite prototype molding applications. Further, the EDAM is scalable and can provide printed geometries in the centimeter to meter scales. However, in plane (X-Y) fiber orientation of the extrudate results in mechanical properties in the stacking orientation (Z) that are governed by the bond formed between adjacent extrudate layers. The quality of this interlayer bond is strongly influenced by the processing conditions, namely temperature and printing history.

Customer Papers

Finite Element Simulation of the Fused Deposition Modelling Process

In this paper, the commercial finite element software package Abaqus is used to simulate the FDM process. A Mobius arm part is used to illustrate the simulation procedure and a sequentially coupled thermo-mechanical analysis is performed. The heat transfer analysis calculates the temperature history which is mapped onto and used to predict residual stress and potential part distortion in the subsequent structural analysis. The tool path patterns dictate how material is progressively added to the part during the build and directly influence the accumulation of residual stresses within the part. Independent tool path events are characterized using event series data such as time, location and bead cross-sectional area.

Community News

Finite Element Simulation of the Multi Jet Fusion Process using Abaqus

Although additive manufacturing was first developed in the 1980’s, the technology is mainly applied for prototyping and tooling. The printing process is not well understood and controlled to be confidently used for printing of load bearing parts. Due to the complex geometry and the layer by layer printing process, parts as printed may show distortion, residual stress, delamination and failure that render the part unusable at the moment that it comes out of the machine. Finite element simulations of additive manufacturing can be very effective in understanding the cause of these defects and predicting the in-service performance of the printed parts. However, most finite element codes are not designed for simulating additive manufacturing processes.

Customer Papers

Process Modeling and Validation for Metal Big Area Additive Manufacturing

Metal Big Area Additive Manufacturing (mBAAM) is a new additive manufacturing (AM) technology based on the metal arc welding. A continuously fed metal wire is melted by an electric arc that forms between the wire and the substrate, and deposited in the form of a bead of molten metal along the predetermined path. Objects are manufactured one layer at a time starting from the base plate. The final properties of the manufactured object are dependent on its geometry and the metal deposition path, in addition to depending on the basic welding process parameters.

Customer Papers

Simulation of Polymeric Composites Additive Manufacturing using Abaqus

Additive manufacturing, specifically the extrusion deposition process, involves the progressive addition of material at elevated temperatures following a prescribed machine path at prescribed speed. Utilizing the newly available features of Abaqus 2017, specifically element activation and event series, progressive element activation is performed by implanting the user subroutine UEPActivationVol. In this work, the system at Purdue University for extrusion deposition of highly filled, high temperature thermoplastics is modeled through a user subroutine suite which coordinates element activation according to machine instructions, assigns appropriate local coordinate systems for using anisotropic material properties, and sets relevant initial state variables for user material models.

Customer Papers

Simulation of Semi-Crystalline Composites in the Extrusion Deposition Additive Manufacturing Process

A UMATHT user subroutine was developed in Abaqus to combine a non-isothermal dual crystallization kinetics model with a statistical melting model in order to describe the simultaneous solidification/re-melting behavior of 3D printed parts during the Extrusion Deposition (ED) process. This subroutine is described in detail. Results indicate that crystallization behavior is significant and strongly dependent on the utilized polymer. As an outlook, the interaction with a second UMAT user subroutine that will be employed to predict residual stresses and deformations is explained.

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積層造形シミュレーションの外部リソース

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