Компьютерное моделирование селективного лазерного плавления высокодисперсных металлических порошков
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.3.23Ключевые слова:
селективное лазерное плавление, импульсная лазерная обработка, численное моделирование, приближение сплошной среды, метод конечных элементов, управляющие параметрыАннотация
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
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
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2017 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.