Térmico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 17535 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Um eficiente solucionador numérico térmico-estrutural para Manufatura Aditiva foi desenvolvido com base em uma abordagem Lagrangiana modificada para resolver as equações de conservação de energia na forma diferencial. A transferência de calor é modelada usando o método de diferenças finitas aplicado a uma malha Lagrangeana deformante. O solucionador estrutural foi aprimorado com a abordagem diferencial quase elástica efetiva proposta para modelar o comportamento elastoplástico de materiais. O algoritmo é relativamente simples de implementar, mas é altamente eficaz. O solucionador pode prever deformações de formato de peças metálicas impressas usando a técnica de fusão em leito de pó a laser. A segunda capacidade chave do solucionador é a autocompensação de distorções de peças impressas em 3D, propondo uma geometria corrigida de uma superfície a ser impressa, a fim de garantir o desvio mínimo da peça impressa real em relação à desejada, mesmo sob condições não -condições operacionais ideais ou para formas complexas. Todos os resultados da simulação foram verificados em experimentos reais para peças 3D de tamanhos que variam de 10 a 15 mm até 40 mm.

A manufatura aditiva (AM) é uma tecnologia em rápido crescimento que tem o potencial de revolucionar a forma como os produtos são projetados e fabricados. A simulação preditiva desempenha um papel crucial na AM, pois permite avaliar o desempenho da peça fabricada antes da sua produção real. A fusão em leito de pó a laser (LPBF) é o método de impressão 3D mais popular para a criação de peças metálicas funcionais, empregando um laser para derreter o pó no formato desejado.

Um desafio significativo na produção de peças metálicas através da tecnologia LPBF reside na formação de tensões residuais, que podem causar empenamento e empenamento. As tensões residuais emergem do relaxamento da estrutura cristalina em ligas metálicas durante deformações plásticas significativas. Mesmo pequenas deformações plásticas contribuem para um aumento da densidade de discordâncias, que se acumula nos limites dos grãos . Além disso, o aquecimento desigual durante o processo de crescimento causa deformações substanciais na forma. Ajustar experimentalmente as condições de impressão para resolver este problema é um procedimento complexo e caro. É necessário considerar uma ampla gama de parâmetros dentro da configuração experimental, compreender o comportamento de materiais específicos sob cargas térmicas e levar em conta a influência de diferentes pós metálicos. Consequentemente, a modelagem numérica do processo de impressão 3D surge como a solução ideal para resolver estes problemas.

Pacotes de software de simulação podem ser utilizados para auxiliar na correção de deformações de forma em peças de liga metálica produzidas pela LPBF. Ao modelar numericamente todo o processo de impressão 3D, que inclui deposição de pó, aquecimento a laser, resfriamento e transições de fase subsequentes, o pacote de software pode não apenas identificar áreas potenciais de deformação de forma em macroescala e defeitos em microescala, mas também sugerir estratégias para corrigir ou eliminá-los. Em particular, a simulação pode recomendar ajustes nos parâmetros do laser e na taxa de alimentação de pó para atingir a distribuição de temperatura desejada dentro do leito de pó, permitindo assim um melhor controle sobre sua forma e reduzindo tensões residuais, bem como abordando defeitos superficiais e volumétricos, como falta de homogeneidade e porosidade indesejada em regiões de fusão parcial. Em geral, o software de simulação para AM serve como uma ferramenta valiosa para refinar o projeto e a produção de peças impressas em 3D. No entanto, é essencial reconhecer as desvantagens associadas à utilização deste tipo de software, tais como o custo, a complexidade e a precisão dos resultados.

Há um avanço significativo no desenvolvimento de pacotes de software novos e aprimorados para manufatura aditiva. Grandes fornecedores estão contribuindo para esta pesquisa. Por exemplo, AlphaSTAR3 é um poderoso produto de simulação para manufatura aditiva. Ele fornece um conjunto abrangente de ferramentas para simular todo o processo AM, desde o projeto até o pós-processamento. Ele oferece uma ampla gama de recursos, incluindo simulação de impressão 3D, seleção de materiais e otimização de processos. ESPRIT Additive PBF4 é outro excelente produto de simulação para fabricação aditiva. Inclui uma biblioteca de materiais e processos, permitindo aos usuários simular seus projetos com rapidez e precisão. Oqton5 fornece um conjunto de ferramentas para simular o processo AM. Whole, AlphaSTAR, ESPRIT Additive PBF e Oqton são excelentes produtos de simulação para fabricação aditiva. Além disso, eles oferecem uma variedade de recursos avançados, como otimização automatizada de projetos e suporte para vários materiais. Muitos desses pacotes utilizam o método dos elementos finitos (MEF)6 para resolver todas as equações governantes necessárias. Este método é especialmente adequado para prever o comportamento de materiais com propriedades complexas, enquanto o método de diferenças finitas (FDM)7 e o método de volumes finitos (FVM)8 são mais adequados para prever o comportamento de sistemas de grande escala. Além disso, esses métodos podem ser combinados e usados ​​em conjunto para otimizar o processo AM.