Павел Кучин, 

руководитель отдела технической поддержки ГК «ПЛМ Урал»

Металлическая 3D-печать дает промышленности возможность изготавливать детали сложной формы, облегченные конструкции, изделия с внутренними каналами, тонкими стенками и геометрией, трудной для традиционной обработки. Этим объясняется интерес к аддитивным технологиям со стороны машиностроения, авиации, энергетики, двигателестроения, медицины и ремонтного производства.

В этой статье речь идет о лазерном сплавлении металлического порошка в порошковом слое — SLM / LPBF / DMLS. Именно этот класс процессов поддерживается в Simmax-additive. Другие группы аддитивных технологий, включая WAAM, DED, Binder Jetting и EBM, здесь не рассматриваются.

При этом аддитивное производство металлов остается технологически сложным процессом. Деталь формируется послойно. Материал локально нагревается, плавится, охлаждается, усаживается и взаимодействует с уже построенной частью изделия, платформой и поддержками. Внутри заготовки возникают температурные градиенты, деформации и остаточные напряжения. Они напрямую влияют на точность, стабильность геометрии и последующую обработку.

Для предприятия риск проявляется в конкретных потерях: занятое машинное время, израсходованный металлический порошок, расход защитного газа, затраты на постобработку, контроль, термообработку и повторное изготовление. Если изделие выращивается несколько суток, ошибка на этапе подготовки становится дорогой.

Расчетное моделирование помогает выявить такие риски до запуска печати. Инженер получает возможность проверить технологический сценарий в цифровой среде: оценить деформации, зоны остаточных напряжений, влияние поддержек, ориентации детали и условий закрепления. Такой подход сокращает число пробных построений и повышает предсказуемость результата.

Рис. 1.  В фокусе статьи: моделирование SLM / LPBF / DMLS — лазерного сплавления металлического порошка в порошковом слое

Почему аддитивный процесс трудно прогнозировать без расчета

В металлической 3D-печати источник тепла воздействует на материал локально. Каждый новый слой изменяет температурное состояние уже построенной части. После охлаждения материал стремится уменьшиться в объеме, но свободному перемещению мешают соседние участки, поддержки и платформа. Так формируется напряженно-­деформированное состояние изделия.

Картина меняется на разных стадиях производства. Во время построения деталь зафиксирована на платформе. После охлаждения напряжения перераспределяются. После отделения от плиты геометрия может измениться еще раз. Удаление поддержек, термообработка и механическая обработка также влияют на конечное состояние.

Поэтому оценка только готовой геометрии не дает полной картины. Важно проследить развитие процесса по этапам: построение, охлаждение, снятие с платформы, удаление поддержек, последующие операции. Именно в этой последовательности часто находится причина будущего дефекта.

Например, деталь может оставаться в допуске, пока она закреплена на плите. После отделения накопленные напряжения высвобождаются, и изделие коробится. В другой ситуации деформация начинает расти еще во время построения, перегружает поддержки и ухудшает стабильность процесса. Без расчета такие эффекты обнаруживаются слишком поздно — при контроле готовой детали.

Основные технологические риски

Наиболее заметная группа рисков связана с геометрическими отклонениями. К ним относятся коробление, изгиб, локальная усадка, нарушение плоскостности, смещение критических поверхностей, деформация тонких стенок и длинномерных элементов. Для ответственных деталей даже небольшое отклонение приводит к дополнительной обработке или браку.

Вторая группа рисков связана с остаточными напряжениями. Они могут не проявляться визуально сразу после печати, но влияют на стабильность размеров, риск трещинообразования, ресурс изделия и поведение детали при последующей механообработке. Особенно опасны зоны концентрации напряжений около резких переходов, массивных участков, тонких перемычек и областей крепления к платформе.

Третья группа относится к технологической подготовке. Ориентация детали, схема поддержек, параметры слоя, стратегия построения, последовательность сканирования участков слоя и условия охлаждения могут усиливать или снижать деформации. Ошибка в одном параметре иногда приводит к цепочке последствий: росту напряжений, увеличению отклонений, усложнению удаления поддержек и росту трудоемкости доводки.

Отдельное значение имеют операции после печати. Снятие с платформы, удаление поддержек, термообработка, контроль и механическая обработка меняют состояние изделия. Расчетная модель позволяет заранее понять, какие изменения возникнут на этих этапах и какие зоны потребуют особого внимания.

Рис. 2. Послойное лазерное сплавление металлического порошка в установке SLM/LPBF. Локальный нагрев и последующее охлаждение формируют температурные градиенты, деформации и остаточные напряжения

Что показывает моделирование

Моделирование аддитивного выращивания воспроизводит процесс формирования изделия в расчетной среде. В модели учитываются геометрия детали, материал, платформа, поддержки, параметры построения и граничные условия. Результатом становится прогноз поведения детали на разных стадиях изготовления.

Инженер может получить данные по деформациям, механической усадке, остаточным напряжениям, перемещениям после снятия с платформы, влиянию поддержек и ориентации детали. Эти данные помогают сравнивать варианты технологической подготовки до запуска оборудования.

Практическая ценность расчета особенно заметна при выборе ориентации. Поворот детали на платформе меняет зоны теплового воздействия, направление накопления деформаций, объем поддержек и трудоемкость постобработки. Для тонкостенных, протяженных и несимметричных изделий эта разница может определять годность всей партии.

Моделирование также помогает проверить схему поддержек. Недостаточная фиксация повышает риск коробления и отрыва. Избыточные поддержки увеличивают расход материала, усложняют удаление и могут создавать дополнительные зоны напряжений. Расчет показывает, какие участки требуют усиления, а какие элементы можно оптимизировать без потери устойчивости процесса.

Еще одна важная задача — прогноз изменения формы после отделения от платформы. На этом этапе изделие освобождается от жесткого закрепления, и накопленные напряжения перераспределяются. Для деталей с высокими требованиями к точности такой прогноз позволяет заранее заложить компенсацию геометрии или изменить технологию построения.

Что влияет на точность расчета

Результат моделирования зависит от качества исходных данных. Для металлической 3D-печати важны температурно-­зависимые свой­ства материала, параметры источника тепла, стратегия сканирования, толщина слоя, условия теплоотвода, закрепление детали, свой­ства платформы и поддержек.

Поэтому расчетную модель следует рассматривать как инженерный инструмент принятия решений, а не как замену технологической отработки. На практике наибольшую ценность дает связка: расчет, пробное построение, контроль геометрии, уточнение модели и повторный расчет. Такой цикл позволяет предприятию постепенно формировать собственную базу знаний по материалам, режимам и типовым деталям.

SIMMAX-ADDITIVE для подготовки металлической 3D-печати порошковым лазером

Для решения таких задач ГК «ПЛМ Урал» развивает SIMMAX-ADDITIVE — отечественный программный продукт для моделирования процесса лазерного сплавления/спекания металлического порошка в порошковом слое — SLM / LPBF / DMLS. Система предназначена для инженеров-­технологов, специалистов по аддитивному производству и расчетчиков, участвующих в подготовке печати. В статье рассматривается именно этот класс задач: послойное построение металлической детали из порошка с локальным лазерным нагревом.

В первую очередь SIMMAX-ADDITIVE ориентирован на задачи технологического макромоделирования: оценку деформаций, усадки, остаточных напряжений, влияния ориентации, поддержек и параметров выращивания. Такой уровень моделирования особенно полезен при подготовке изделий, где критичны конечная геометрия, стабильность после снятия с платформы и снижение числа пробных построений.

SIMMAX-ADDITIVE позволяет выполнить виртуальное выращивание детали и оценить ее поведение до запуска оборудования. Пользователь может импортировать геометрию, учитывать поддержки, задавать материал, параметры процесса, расчетную сетку и условия закрепления. После расчета доступны поля деформаций, усадки и остаточных напряжений, а также данные по изменению состояния изделия в ходе построения.

Продукт полезен на этапе выбора технологического сценария. С его помощью можно сравнить варианты ориентации, проверить схему поддержек, оценить риск коробления, определить зоны повышенных напряжений и спрогнозировать поведение детали после снятия с платформы. Для предприятия это означает сокращение количества пробных построений и более обоснованную подготовку производства.

SIMMAX-ADDITIVE также помогает выстраивать внутреннюю инженерную практику. Расчеты дают технологу количественную информацию, которую можно использовать при разработке методик, выборе режимов, согласовании требований с конструкторским отделом и планировании контроля.

Рис. 3. Послойная расчетная модель детали в SIMMAX-ADDITIVE

Рис. 4. Виртуальное выращивание сложной геометрии для оценки деформаций и остаточных напряжений

От опытного образца к стабильной технологии

Внедрение металлической 3D-печати обычно проходит несколько стадий. Сначала предприятие получает опытные образцы, затем подбирает режимы, после этого стремится выйти на повторяемое производство. Самая сложная часть начинается на этапе перехода к стабильной технологии, где требуется предсказуемое качество, понятная себестоимость и управляемые сроки.

Моделирование ускоряет этот переход. Оно помогает заранее отсеять неудачные варианты, сократить объем экспериментов, определить чувствительные зоны изделия и снизить зависимость от проб и ошибок. При этом расчет не отменяет практические испытания. Он делает их более точными и сокращает число итераций.

Для ответственных металлических деталей такой подход особенно важен. Здесь недостаточно получить красивую форму после печати. Нужно обеспечить размерную стабильность, контролируемое напряженно-­деформированное состояние, пригодность к последующей обработке и соответствие требованиям эксплуатации.

Заключение

Металлическая 3D-печать связана с высокой концентрацией тепловых и механических эффектов. Деформации, усадка, остаточные напряжения, влияние поддержек, ориентации и закрепления определяют качество будущего изделия еще до завершения построения.

Моделирование позволяет увидеть эти эффекты заранее. Инженер получает инструмент для проверки технологических решений до запуска оборудования, сравнения вариантов и снижения риска брака. Для предприятия это выражается в экономии машинного времени, материала и трудозатрат на доводку.

SIMMAX-ADDITIVE решает эту задачу в рамках цифровой подготовки производства. Система помогает прогнозировать поведение металлической детали при послойном построении из порошка, выявлять проблемные зоны и принимать технологические решения на основе расчета. Такой подход делает аддитивное производство более управляемым и приближает его к требованиям промышленной серийности. 

Подробнее:

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2026