Simulación

La Fabricación Aditiva ofrece la posibilidad de crear soluciones de diseño con menos limitaciones que la fabricación convencional. Esto permite conseguir geometrías complejas, dando la opción de introducir estructuras internas de aligeramiento o modificar formas para mejorar propiedades. Pero, también crea la necesidad de utilizar nuevos métodos y softwares para el diseño, que al mismo tiempo ayudan a explotar las posibilidades de la tecnología.

En el Diseño para la Fabricación Aditiva (DfAM) la simulación es un punto clave para identificar los puntos críticos del proceso productivo, y así, evitar y mejorar los defectos que puedan surgir en las diferentes fases del proceso. Para ello, es fundamental definir un flujo de trabajo basado en la simulación.

La simulación toma gran importancia en el proceso de diseño. Empezando con un diseño conceptual, se definen los materiales que se van a utilizar o las restricciones que se puedan tener en el entorno. Con esto, se procede a hacer la simulación de la pieza, donde se obtiene como resultado diferentes parámetros como pueden ser las tensiones o las distorsiones. Analizando estos resultados y prediciendo los defectos, se procede a adaptar el diseño. Luego, para validar el resultado se vuelve a hacer la simulación. Estos dos últimos pasos se repiten hasta que se consiga el resultado adecuado que cumpla las restricciones que se han definido al principio. Una vez que se tenga el diseño final, se hace el testeo del prototipo, que, en el caso de que no sea adecuado, se vuelve a empezar con el diseño conceptual y repetir los pasos hasta conseguir la fabricación final adecuada.

Planteamiento del problema: tensión residual y distorsión

La tensión residual y la distorsión son los problemas más comunes que aparecen en diferentes tecnologías de la Fabricación Aditiva, siendo dos los mecanismos principales que contribuyen en la creación de estas tensiones y distorsiones. Por un lado, el mecanismo de gradiente de temperatura, y por otro lado la contracción de la solidificación.

Estos problemas influyen en el comportamiento final de la pieza, ya que pueden aparecer grietas y fracturas inestables o producir el pandeo de la pieza, haciendo que este quede fuera de tolerancias o llevando incluso a la interrupción del proceso. Todo esto, lleva a generar desperdicios y desechos y genera un aumento en el coste de la fabricación y en el tiempo.

Métodos de predicción aplicables

Para disminuir estos defectos de las piezas, una de las opciones es proceder a la iteración de prueba y error, pero este método tiene una reducida eficiencia y flexibilidad, además de ser caro, por lo que no es un método adecuado para la predicción de defectos.

En cambio, se puede hacer una simulación en el ordenador, predecir los defectos que se puedan generar, y hacer diferentes iteraciones sin tener que fabricar la pieza. Estos métodos de predicción optimizan el proceso y el diseño antes de la fabricación, por lo tanto es el preferible para garantizar que la pieza se comporte como se espera y disminuir el riesgo de la aparición de defectos.

Entre los diferentes métodos existentes, se encuentran los Métodos Analíticos, los Métodos Empíricos y Metodologías de Modelado de Elementos Finitos. Con estas metodologías, introduciendo diferentes Inputs como pueden ser las propiedades del material o parámetros de máquina, se pueden conseguir diferentes Outputs (Temperatura, distorsión, tensión residual, probabilidad de colisión del recoater, fallo de la estructura de soportes, puntos calientes o faltas de fusión…), que después de analizarlos sirven para detectar y evitar diferentes tipos de defectos.

Método de elementos finitos (MEF)

Para una simulación de Elementos Finitos es importante seguir diferentes pasos.

Para el modelizado, una vez definida el tipo de cálculo que se va a hacer, hay que simplificar y reparar los modelos CAD, eliminando los detalles geométricos que no tienen importancia o corrigiendo discontinuidades, por ejemplo. También hay que seleccionar bien el material, ya que es crítico porque afecta en la actuación del diseño. Luego, hay que definir tanto los contactos y restricciones de la pieza como las cargas y las condiciones de contorno. La solución obtenida por Elementos Finitos depende del mallado utilizado. El mallado es el proceso por el cual se divide la geometría a analizar en múltiples partes llamadas “elementos” que se conectan entre sí por puntos llamados “nodos”. En los nodos es donde se aplican las formulas o ecuaciones para la resolución de un problema. Es necesario encontrar el equilibrio entre tamaño de malla y calidad de los resultados, identificando las zonas con más detalle que necesitan un mallado más definido, entre otras cosas. El mallado del diseño influye en la precisión de los resultados y en el tiempo del cálculo.

Terminando con el modelizado de la pieza, se procede a la simulación, que consiste en una operación que resuelve una serie de ecuaciones para los nodos definidos por el mallado. Y así, obtener el resultado del caso del diseño planteado. Con los resultados de la simulación, se procede al análisis de los mismos.

Desafíos de la simulación en la fabricación aditiva

Uno de los retos del modelizado es el problema de multifísica. Es decir, en una fabricación pueden influir diferentes fenómenos simultáneamente, como pueden ser una transferencia de calor, una deformación estructural, una optimización o una simulación de fluidos, por ejemplo. Estos fenómenos se pueden acoplar y afectar unos a otros mutuamente. Por lo tanto, se pueden simular diferentes sistemas de campos diversos simultáneamente.

Por otra parte, se encuentra la discretización del problema tanto en tiempo como en espacio. La discretización para la simulación consiste en dividir un sistema continuo en una cantidad de elementos que se encuentran conectados por diferentes nodos. Por ejemplo, en un cálculo estructural, la pieza a simular se fracciona en múltiples triángulos que están conectados mediante los nodos. Así, se consigue un resultado de los comportamientos de estos nodos, que son equivalentes a la de la pieza entera. Dependiendo cual sea el objetivo del cálculo a realizar, se pueden eliminar detalles innecesarios del modelo para una mejor discretización.

Validación de los resultados de simulación

Para validar los resultados obtenidos por una simulación, es importante hacer diferentes comparaciones entre la geometría CAD nominal y diferentes superficies CAD deformadas como resultado de los cálculos (MEF).

De una geometría CAD nominal, haciendo un modelado para Fabricación Aditiva con Métodos de Elementos Finitos, con una conversión se consigue una superficie CAD deformada (MEF). Por otra parte, de la misma geometría nominal, se hace la fabricación de la geometría mediante Fabricación Aditiva. De este modo se consigue una parte real que estaría deformada. Haciendo el escaneo 3D de esta geometría y reconstruyéndola, se consigue la superficie CAD Deformada, en este caso Experimental.

Por lo tanto, para validar la simulación hay que comparar la geometría nominal con la superficie experimental, y la geometría nominal con la superficie FEM, y analizar las diferencias de las dos comparaciones. Si en esta comparación la desviación es mayor que 0, el material se encuentra por encima de la superficie CAD. En cambio, si la desviación es menor que 0, el material se encuentra por debajo de la superficie.

Compensación de distorsión por pre-deformación

La predicción que se hace analizando los resultados de una simulación, entre otras cosas, permite identificar que distorsiones va a tener la pieza en la fabricación. Esta predicción se puede utilizar para generar una “preforma compensada”, y, después de las distorsiones obtener la forma final deseada. Por lo tanto, la distorsión final se minimiza pre-deformando la geometría nominal basada en la predicción de distorsión numérica.