Термальный

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 17535 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Эффективный численный решатель тепловых структур для аддитивного производства был разработан на основе модифицированного лагранжевого подхода для решения уравнений сохранения энергии в дифференциальной форме. Теплопередача моделируется методом конечных разностей, примененным к деформирующейся лагранжевой сетке. Структурный решатель был усовершенствован за счет предложенного эффективного квазиупругого дифференциального подхода для моделирования упругопластического поведения материалов. Алгоритм относительно прост в реализации, но очень эффективен. Решающая программа может прогнозировать деформации формы металлических деталей, напечатанных с использованием метода лазерного плавления порошкового слоя. Вторая ключевая возможность решателя — автоматическая компенсация искажений 3D-печатных деталей путем предложения исправленной геометрии печатаемой поверхности, чтобы обеспечить минимальное отклонение фактической печатной детали от желаемой даже при неудовлетворительных условиях. -оптимальные условия эксплуатации или для сложных форм. Все результаты моделирования проверены в реальных экспериментах для 3D деталей размером от 10-15 мм до 40 мм.

Аддитивное производство (АП) — это быстро развивающаяся технология, которая может революционизировать способы проектирования и производства продуктов. Прогнозирующее моделирование играет решающую роль в АМ, поскольку оно позволяет оценить характеристики изготовленной детали до ее фактического производства. Лазерная плавка порошкового слоя (LPBF) является самым популярным методом 3D-печати для создания функциональных металлических деталей, в котором используется лазер для плавления порошка до желаемой формы.

Серьезной проблемой при производстве металлических деталей по технологии LPBF является образование остаточных напряжений, которые могут привести к короблению и короблению. Остаточные напряжения возникают в результате релаксации кристаллической структуры металлических сплавов при значительных пластических деформациях. Даже незначительные пластические деформации способствуют увеличению плотности дислокаций, которые скапливаются на границах зерен1,2. Кроме того, неравномерный нагрев в процессе роста приводит к существенным деформациям формы. Экспериментальная корректировка условий печати для решения этой проблемы — сложная и дорогостоящая процедура. Это требует учета широкого спектра параметров экспериментальной установки, понимания поведения конкретных материалов при термических нагрузках и учета влияния различных металлических порошков. Следовательно, численное моделирование процесса 3D-печати становится оптимальным решением этих проблем.

Пакеты программного обеспечения для моделирования можно использовать для коррекции деформации формы деталей из металлических сплавов, производимых LPBF. Численно моделируя весь процесс 3D-печати, который включает нанесение порошка, лазерный нагрев, охлаждение и последующие фазовые переходы, пакет программного обеспечения может не только идентифицировать потенциальные области макромасштабной деформации формы и микромасштабных дефектов, но также предлагать стратегии по исправлению. или устранить их. В частности, моделирование может рекомендовать корректировку параметров лазера и скорости подачи порошка для достижения желаемого распределения температуры внутри слоя порошка, что позволяет лучше контролировать его форму и снижать остаточные напряжения, а также устранять поверхностные и объемные дефекты, такие как неоднородность и нежелательная пористость в областях частичного плавления. В целом программное обеспечение для моделирования AM служит ценным инструментом для совершенствования проектирования и производства 3D-печатных деталей. Однако важно признать недостатки, связанные с использованием этого типа программного обеспечения, такие как стоимость, сложность и точность результатов.

В разработке новых и улучшенных пакетов программного обеспечения для аддитивного производства произошел значительный скачок вперед. Крупные поставщики вносят свой вклад в это исследование. Например, AlphaSTAR3 — мощный продукт для моделирования аддитивного производства. Он предоставляет полный набор инструментов для моделирования всего процесса AM, от проектирования до последующей обработки. Он предлагает широкий спектр функций, включая моделирование 3D-печати, выбор материалов и оптимизацию процесса. ESPRIT Additive PBF4 — еще один замечательный продукт для моделирования аддитивного производства. Он включает в себя библиотеку материалов и процессов, позволяющую пользователям быстро и точно моделировать свои конструкции. Oqton5 предоставляет набор инструментов для моделирования процесса AM. Whole, AlphaSTAR, ESPRIT Additive PBF и Oqton — отличные продукты для моделирования аддитивного производства. Кроме того, они предлагают ряд расширенных функций, таких как автоматическая оптимизация дизайна и поддержка нескольких материалов. Многие из этих пакетов используют метод конечных элементов (МКЭ)6 для решения всех необходимых основных уравнений. Этот метод особенно хорошо подходит для прогнозирования поведения материалов со сложными свойствами, тогда как метод конечных разностей (FDM)7 и метод конечных объемов (FVM)8 лучше подходят для прогнозирования поведения крупномасштабных систем. Более того, эти методы можно комбинировать и использовать вместе для оптимизации процесса АМ.