Компьютерное моделирование селективного лазерного плавления высокодисперсных металлических порошков

Авторы

  • Георгий Андреевич Гордеев Удмуртский государственный университет
  • Михаил Дмитриевич Кривилев Удмуртский государственный университет
  • Владимир Евгеньевич Анкудинов Удмуртский государственный университет

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.3.23

Ключевые слова:

селективное лазерное плавление, импульсная лазерная обработка, численное моделирование, приближение сплошной среды, метод конечных элементов, управляющие параметры

Аннотация

Разработана компьютерная модель селективного лазерного плавления (СЛП) высокодисперсных порошков металлов и сплавов при использовании импульсной лазерной обработки. Порошковый слой рассматривается в приближении сплошной среды, где эффективные теплофизические характеристики зависят от локальной пористости. Модель позволяет получать на выходе нестационарные поля температуры, локальной пористости, изучать форму и размеры сплавленного с подложкой трека (слоя). Рассматриваются этапы физико-математической постановки задачи и численная реализация построенной на ее основе конечно-элементной модели. Важной особенностью последней является зависимость базисных функций от переменной - положения верхней границы, которая характеризует усадку порошкового слоя. Вследствие этого требуется контроль качества дискретной сетки и ее динамическое обновление. На этапе верификации модели проведено качественное и количественное сравнение лабораторного и численного экспериментов по СЛП порошка железа на подложке. С помощью разработанной модели исследовано влияние управляющих параметров импульсной лазерной обработки - пиковой мощности лазера, энергии лазерного импульса, длительности импульса - на процесс СЛП порошка железа. Показано, что повышение плотности мощности лазерного излучения за счет увеличения энергии импульса или уменьшения длительности импульса, а также повышение длительности импульса при фиксированном значении плотности мощности лазерного излучения повышают эффективность и качество сплавления порошка с подложкой или с предыдущим слоем. При этом положительный эффект уменьшается после достижения пороговых значений управляющих параметров, что при переходе к интенсивному испарению порошка обусловлено ростом теплоотдачи как во внешнюю среду, так и в подложку. Прогнозируется, что при фиксированных значениях энергии импульса и эффективного радиуса лазерного луча изменение длительности импульса незначительно сказывается на шероховатости боковых поверхностей трехмерного изделия.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Библиографические ссылки

Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технология аддитивного производства. - М.: Техносфера, 2016. - 656 с.
2. Каблов Е.Н. Аддитивные технологии - доминанта национальной технологической инициативы // Интеллект и технологии. - 2015. - № 2(11). - С. 52-55.
3. Шишковский И.В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. - СПб.: Питер, 2016. - 400 с.
4. Olakanmi E.O., Cochrane R.F., Dalgarno K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties // Prog. Mater. Sci. - 2015. - Vol. 74. - P. 401-477. DOI
5. Demir A.G., Colombo P., Previtali B. From pulsed to continuous wave emission in SLM with contemporary fiber laser sources: effect of temporal and spatial pulse overlap in part quality // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2017. - P. 1-14. DOI
6. Regenfuss P., Streek A., Hartwig L., Klötzer S., Brabant Th., Horn M., Ebert R., Exner H. Principles of laser micro sintering // Rapid Prototyp. J. - 2007. - Vol. 13, no. 4. - P. 204-212. DOI
7. Demir A.G., Previtali B. Additive manufacturing of cardiovascular CoCr stents by selective laser melting // Mater. Design. - 2017. - Vol. 119. - P. 338-350. DOI
8. Kharanzhevskiy E., Ipatov A., Nikolaeva I., Zakirova R. Short-pulse laser sintering of multilayer hard metal coatings: structure and wear behavior // Lasers in Manufacturing and Materials Processing. - 2015. - Vol. 2, no. 2. - P. 91-102. DOI
9. Kruth J.P., Froyen L., Van Vaerenbergh J., Mercelis P., Rombouts M., Lauwers B. Selective laser melting of iron-based powder // J. Mater. Process. Tech. - 2004. - Vol. 149, no. 1-3. - P. 616-622. DOI
10. King W.E., Anderson A.T., Ferencz R.M., Hodge N.E., Kamath C., Khairallah S.A., Rubenchik A.M. Laser powder bed fusion additive manufacturing of metals; physics, computational, and materials challenges // Applied Physics Reviews. - 2015. - Vol. 2, no. 4. - 041304. DOI
11. Yap C.Y., Chua C.K., Dong Z.L., Liu Z.H., Zhang D.Q., Loh L.E., Sing S.L. Review of selective laser melting: Materials and applications // Applied Physics Reviews. - 2015. - Vol. 2, no. 4. - 041101. DOI
12. Kumar S. Selective laser sintering: A qualitative and objective approach // JOM. - 2003. - Vol. 55, no. 10. - P. 43-47. DOI
13. Gusarov A.V., Yadroitsev I., Bertrand Ph., Smurov I. Model of radiation and heat transfer in laser-powder interaction zone at selective laser melting // J. Heat Transfer. - 2009. - Vol. 131, no. 7. - 072101. DOI
14. Oschmann T., Schiemann M., Kruggel-Emden H. Development and verification of a resolved 3D inner particle heat transfer model for the Discrete Element Method (DEM) // Powder Technol. - 2016. - Vol. 291. - P. 392-407. DOI
15. Dong L., Makradi A., Ahzi S., Remond Y. Three-dimensional transient finite element analysis of the selective laser sintering process // J. Mater. Process. Tech. - 2009. - Vol. 209, no. 2. - P. 700-706. DOI
16. Hodge N.E., Ferencz R.M., Solberg J.M. Implementation of a thermomechanical model for the simulation of selective laser melting // Comput. Mech. - 2014. - Vol. 54, no. 1. - P. 33-51. DOI
17. Прилоус Б.И. О введении понятия представительного объемного элемента в теорию структурированного континуума // Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2013. - Т. 2, № 2. - С. 115-120.
18. Зайцев А.В., Лукин А.В., Ташкинов А.А., Трефилов Н.В. Cлучайные структуры двухфазных композитов: синтез, закономерности, новая оценка характерных размеров представительных объемов // Вестник ПГТУ. Математическое моделирование систем и процессов. - 2004. - № 12. - C. 30-44.
19. Трусов П.В., Волегов П.С., Янц А.Ю. Двухуровневые модели поликристаллов: о независимости образа процесса нагружения представительного макрообъема // Физ. мезомех. - 2013. - Т. 16, № 6. - С. 33-41.
20. Анкудинов В.Е., Кривилев М.Д. Теоретический анализ зависимости теплофизических характеристик от пористости // Вестник Удмуртского университета. Серия Физика и Химия. - 2012. - № 4. - С. 3-8.
21. Анкудинов В.Е. Моделирование теплопереноса в пористых средах с неоднородным распределением пор // Математическое моделирование в естественных науках, Материалы XXIII Всероссийской школы-конференции молодых ученых и студентов. - ПНИПУ, 2014. - С. 23-26.
22. Ивенсен В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании. - М.: Металлургия, 1971. - 265 с.
23. Скороход В.В. Реологические основы теории спекания. - Киев: Наукова думка, 1972. - 152 с.
24. German R.M. Liquid phase sintering. - NY: Plenum Press, 1985. - 236 p.
25. Kruth J.-P., Levy G., Klocke F., Childs T.H.C. Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2007. - Vol. 56, no. 2. - P. 730-759. DOI
26. Bird R., Stewart W.E., Lightfoot E.N. Transport phenomena - Wiley, 2007. - 905 p.
27. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 664 с.
28. Иванова А.М., Котова С.П., Куприянов Н.Л., Петров А.Л., Тарасова Е.Ю., Шишковский И.В. Физические особенности селективного лазерного спекания порошковых металл-полимерных композиций // Квантовая электроника. - 1998. - Т. 25(5). - С. 433-438. DOI
29. Gusarov A.V., Kruth J.-P. Modelling of radiation transfer in metallic powders at laser treatment // Int. J. Heat Mass Transfer. - 2005. - Vol. 48, no. 16. - P. 3423-3434. DOI
30. Костенков С.Н., Харанжевский Е.В., Кривилев М.Д. Метод определения характеристик взаимодействия лазерного излучения с нанокомпозитными порошковыми материалами // ФММ. - 2012. - Т. 113, № 1. - C. 98-103. DOI
31. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. - М.: Металлургия. - 1987. - 224 с.
32. Кривилев М.Д., Харанжевский Е.В., Гордеев Г.А., Анкудинов В.Е. Управление лазерным спеканием металлических порошковых смесей // Управление большими системами. - 2010. - № 31. - С. 299-322.
33. Gordeev G.A., Ankudinov V.E., Krivilyov M.D., Kharanzhevskiy E.V. Optimization of processing parameters in laser sintering of metallic powders // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2012. - Vol. 27. - 012079. DOI
34. Гордеев Г.А., Кривилёв М.Д., Анкудинов В.Е. Численное моделирование лазерной обработки металлических порошковых материалов методом конечных элементов // Вестник Удмуртского университета. Серия Физика и Химия. - 2014. - № 3. - C. 15-22.
35. Krivilyov M.D., Mesarovic S.Dj., Sekulic D.P. Phase-field model of interface migration and powder consolidation in additive manufacturing of metals // J. Mater. Sci. - 2017. - Vol. 52, no. 8. - P. 4155-4163. DOI
36. Zhang Y., Faghri A. Melting of a subcooled mixed powder bed with constant heat flux heating // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1999. - Vol. 42, no. 5. - P. 775-788. DOI
37. Zhang Y., Faghri A., Buckley C.W., Bergman T.L. Three-dimensional sintering of two-component metal powders with stationary and moving laser beams // J. Heat Transfer. - 2000. - Vol. 122, no. 1. - P. 150-158. DOI
38. Williams J.D., Deckard C.R. Advances in modeling the effects of selected parameters on the SLS process // Rapid Prototyping Journal. - 1998. - Vol. 4, no. 2. - P. 90-100. DOI
39. Kaviany M. Principles of heat transfer in porous media. - Springer New York, 1995. - 726 p. DOI
40. Desai P.D. Thermodynamic properties of iron and silicon // J. Phys. Chem. Ref. Data. - 1986. - Vol. 15, no. 3. - P. 967-983. DOI
41. Shao T.M., Lin X.C., Zhou M. Absorption of some powder materials to YAG laser // Science in China (Series A). - 2001. - Vol. 44. - P. 489-494.
42. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов: от интуиции к общности // Механика. - 1970. - № 6. - С. 90-104.
43. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир, 1979. - 392 c.
44. COMSOL Multiphysics Reference Guide. - COMSOL AB, v4.3, 2012. - 702 p.
45. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.
46. Thijs L., Kempen K., Kruth J.-P., Van Humbeek J. Fine-structured aluminium products with controllable texture by selective laser melting of pre-alloyed AlSi10Mg powder // Acta Mater. - 2013. - Vol. 61, no. 5. - P. 1809-1819. DOI

Загрузки

Опубликован

2017-10-04

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Гордеев, Г. А., Кривилев, М. Д., & Анкудинов, В. Е. (2017). Компьютерное моделирование селективного лазерного плавления высокодисперсных металлических порошков. Вычислительная механика сплошных сред, 10(3), 293-312. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.3.23