Termico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 17535 (2023) Citare questo articolo

Dettagli sulle metriche

È stato sviluppato un efficiente solutore numerico termo-strutturale per la produzione additiva basato su un approccio lagrangiano modificato per risolvere le equazioni di conservazione dell’energia in forma differenziale. Il trasferimento di calore è modellato utilizzando il metodo delle differenze finite applicato a una mesh lagrangiana deformante. Il solutore strutturale è stato migliorato con l'approccio differenziale quasi elastico proposto per modellare il comportamento elastoplastico dei materiali. L’algoritmo è relativamente semplice da implementare ma è altamente efficace. Il solutore può prevedere le deformazioni della forma delle parti metalliche stampate utilizzando la tecnica di fusione laser a letto di polvere. La seconda funzionalità chiave del solutore è l'autocompensazione delle distorsioni delle parti stampate in 3D proponendo una geometria corretta di una superficie da stampare, al fine di garantire una deviazione minima della parte stampata effettiva da quella desiderata, anche in condizioni non -condizioni operative ottimali o per forme complesse. Tutti i risultati della simulazione sono stati verificati in esperimenti di vita reale per parti 3D di dimensioni comprese tra 10 e 15 mm fino a 40 mm.

La produzione additiva (AM) è una tecnologia in rapida crescita che ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui i prodotti vengono progettati e realizzati. La simulazione predittiva gioca un ruolo cruciale nell’AM in quanto consente di valutare le prestazioni del pezzo prodotto prima della sua produzione effettiva. La fusione laser a letto di polvere (LPBF) è il metodo di stampa 3D più popolare per la creazione di parti metalliche funzionali, utilizzando un laser per fondere la polvere nella forma desiderata.

Una sfida significativa nella produzione di componenti metallici mediante la tecnologia LPBF risiede nella formazione di tensioni residue, che possono portare a deformazioni e deformazioni. Le tensioni residue emergono dal rilassamento della struttura cristallina nelle leghe metalliche durante deformazioni plastiche significative. Anche le deformazioni plastiche minori contribuiscono ad un aumento della densità delle dislocazioni, che si accumula ai bordi dei grani1,2. Inoltre, il riscaldamento non uniforme durante il processo di crescita provoca notevoli deformazioni della forma. La regolazione sperimentale delle condizioni di stampa per risolvere questo problema è una procedura complessa e costosa. È necessario considerare un’ampia gamma di parametri all’interno dell’apparato sperimentale, comprendere il comportamento di materiali specifici sotto carichi termici e tenere conto dell’influenza delle diverse polveri metalliche. Di conseguenza, la modellazione numerica del processo di stampa 3D emerge come la soluzione ottimale per affrontare questi problemi.

I pacchetti software di simulazione possono essere utilizzati per assistere nella correzione della deformazione della forma nelle parti in lega metallica prodotte da LPBF. Modellando numericamente l'intero processo di stampa 3D, che comprende la deposizione della polvere, il riscaldamento laser, il raffreddamento e le successive transizioni di fase, il pacchetto software non solo può identificare potenziali aree di deformazione della forma su macroscala e difetti su microscala, ma anche suggerire strategie per correggere oppure eliminarli. In particolare, la simulazione può consigliare modifiche ai parametri del laser e alla velocità di alimentazione della polvere per ottenere la distribuzione della temperatura desiderata all'interno del letto di polvere, consentendo così un migliore controllo sulla sua forma e riducendo le tensioni residue, oltre ad affrontare difetti superficiali e volumetrici come disomogeneità e porosità indesiderata nelle regioni di fusione parziale. In generale, il software di simulazione per l’AM costituisce uno strumento prezioso per perfezionare la progettazione e la produzione di parti stampate in 3D. Tuttavia, è essenziale riconoscere gli svantaggi associati all’utilizzo di questo tipo di software, come il costo, la complessità e l’accuratezza dei risultati.

C’è un significativo passo avanti nello sviluppo di pacchetti software nuovi e migliorati per la produzione additiva. I grandi fornitori stanno contribuendo a questa ricerca. Ad esempio, AlphaSTAR3 è un potente prodotto di simulazione per la produzione additiva. Fornisce una suite completa di strumenti per la simulazione dell'intero processo AM, dalla progettazione alla post-elaborazione. Offre un'ampia gamma di funzionalità, tra cui la simulazione della stampa 3D, la selezione dei materiali e l'ottimizzazione del processo. ESPRIT Additive PBF4 è un altro ottimo prodotto di simulazione per la produzione additiva. Include una libreria di materiali e processi, che consente agli utenti di simulare i propri progetti in modo rapido e accurato. Oqton5 fornisce una suite di strumenti per simulare il processo AM. Whole, AlphaSTAR, ESPRIT Additive PBF e Oqton sono eccellenti prodotti di simulazione per la produzione additiva. Inoltre, offrono una gamma di funzionalità avanzate, come l'ottimizzazione automatizzata della progettazione e il supporto per più materiali. Molti di questi pacchetti utilizzano il metodo degli elementi finiti (FEM)6 per risolvere tutte le equazioni governative necessarie. Questo metodo è particolarmente adatto per prevedere il comportamento di materiali con proprietà complesse, mentre il metodo delle differenze finite (FDM)7 e il metodo dei volumi finiti (FVM)8 sono più adatti per prevedere il comportamento di sistemi su larga scala. Inoltre, questi metodi possono essere combinati e utilizzati insieme per ottimizzare il processo AM.