לקיחת קונספט של טכנולוגיה חדשה משלב המחקר הראשוני ועד לפתרון המתאים לשימוש תעשייתי, מצריכה בדיקות קפדניות וולידציות. הדפסה תלת מימדית לדוגמא, הופיעה לראשונה בשנות ה- 80 המוקדמות עם רמת מוכנות טכנולוגית (Technology Readiness Level - שיטת מדידה של רמה טכנולוגית לשימוש תעשייתי אשר הוצעה ע"י NASA בשנות ה- 70) של TRL 1, וזה לקח מספר עשורים עד שהשיטה נודעה בשווקים התעשייתיים כשיטת ייצור חדשה ומדהימה שמתעתדת לשנות את העולם.

סימולציה של תהליך Shaped Metal Deposition

ארגונים כמו Manufacturing Technology Centre בקובנטרי, אנגליה, מסייעים בגישור הפער בין הקונספט לתעשייה ע"י אספקת המשאבים הנדרשים להבאת תוכנית מהשלב של מחקר ראשוני (TRL 1 - TRL 3ׂ) עד לשימוש מסחרי (TRL 7 - TRL 9). ניסיון נוכחי ב- MTC הינו מחקר בתחום של טכניקת הדפסה תלת מימדית הידוע כ- Shaped Metal Deposition (SMD).

"ל- SMD יש יתרונות על פני טכנולוגיות הדפסה תלת מימדית מבוססות אבקות", אומר בורחה לזארו טוראלס, מהנדס המחקר ב- MTC, אשר השתמש בתוכנת COMSOL Multiphysics בכדי לתכנן מודל ויישום סימולציה של תהליך ה- SMD (איור 1). "בין היתרונות של SMD ניתן למנות שיעורי דפוזיציה גבוהים יותר, האפשרות לבנות תכונות חדשות על גבי רכיבים שהתקיימו קודם לכן, ואפילו השימוש בחומרים רבים על אותו החלק".

שלא כמו טכניקות הדפסה תלת מימדית אחרות המשתמשות בלייזרים להתכת שכבה צרה של אבקה, SMD משקיעה שכבה של מתכת נוזלית - שבחלק מהמקרים יכולה להיות יקרה כמו טיטניום - אשר נבנית שכבה אחר שכבה על המשטח בתהליך שדומה לריתוך. "אחד האתגרים בזה הוא שהתפשטות תרמית של המתכת הנוזלית עשויה לעוות את צורת שכבת המגן כשהיא מתקררת, והתוצאה היא מוצר סופי שונה ממה שציפו", מתאר לזארו טוראלס.

"במטרה לחזות את התוצאות של העיצוב המוצע, אנחנו צריכים או למזער את הדפורמציות או לשנות את העיצוב". איור 2 מציג דוגמא לחלק שיוצר ע"י שימוש ב- SMD, בו התרחשה הדפורמציה לאחר שהתווספו שש שכבות של מתכת נוזלית. המודל של החלק, גם הוא מוצג באיור 2, משמש לחיזוי הסטיה של החלק בעת הייצור, דבר המאפשר למתכנן לעדכן את העיצוב בהתאם.

מתקשרים עם המורכבות בעזרת יישומי סימולציה

MTC ניצלו את ה- Application Builder החדש של COMSOL במטרה להתמודד ביותר יעילות עם רעיונות תכנון מורכבים על פני מחלקות סימולציה ותהליכים רבות, וכדי לאפשר למשתמשי היישומים לחקור ביתר קלות את התוצאות של התכנונים המוצעים. ללא השימוש ביישום סימולציה, הבדיקה והוולידציה של התכנון יהיו גוזלי זמן וכסף רבים הרבה יותר, ע"י שימוש בבדיקות פיזיקליות בלבד, בשל החומרים שנעשה בהם שימוש ב- SMD.

סימלוץ SMD מצריך פתירת אנליזה תרמו-מכאנית תלויית זמן מצומדת, אשר חוזה עודפים של מאמצים תרמיים ודפורמציה, אשר מתעוררים במחזורים של SMD תרמי. " בנינו יישום ב- Application Builder המאפשר למשתמש לחזות האם תהליך הדפוזיציה ייצר חלקים אשר נופלים בתוך הטולרנסים המבוססים שלהם" אומר לזארו טוראלס. "אם לא, אז היישום מספק דרך ידידותית וחסכונית לסימלוץ וריאציות רבות של התשומה עד שהתוצאות מגיעות לדפורמציה סופית מקובלת".

עם היישום הזה, המשתמשים יכולים להתנסות בקלות עם גיאומטריות שונות, מקורות חום, דרכי דפוזיציה, וחומרים, בלי להיות מוטרדים ממורכבויות המודל. שתי גיאומטריות פרמטריות מוגדרות מראש כלולות ביישום, וניתן גם לייבא גיאומטריה מותאמת.

כרגע היישום נמצא בשימוש אצל חברים בצוות של MTC שאין להם את הניסיון בסימולציה בכדי לחקור באופן עצמאי חלקים שונים ופרוייקטים עבור הלקוחות שלהם. "אם לא היישום, מומחי הסימולציה שלנו היו חייבים לבדוק כל פרוייקט אותו רצינו לחקור, דבר אשר היה עשוי להפחית את זמינות המשאבים המיומנים. ע"י שימוש ב- Application Builder, אנחנו יכולים כעת לספק ממשקי יישום ידידותיים לצוותים אחרים ב- MTC.

"השימוש ביישומי סימולציה יסייע לנו בפריסת טכנולוגיות עם TRL גבוה יותר עבור השימוש הפרקטי שלהם בסביבה תעשייתית. ה- Application Builder מספק לנו פלטפורמת פיתוח עוצמתית איתה אנחנו יכולים לארוז מודלים מולטיפיזיקליים מורכבים ולהופכם נגישים לציבור הרחב".