Halsey Andrews 
W ostatnim artykule opublikowanym w czasopiśmie produkcja dodatkowaW artykule naukowcy omówili analityczne rozwiązania termoplastyczne dla procesów wytwarzania przyrostowego.
Stado: Rozwiązania analityczne dla termoplastycznych procesów wytwarzania przyrostowego. Źródło zdjęcia: Olga Ilina / Shutterstock.com
tło
Zdolność do dokładnego i wydajnego modelowania i zarządzania wieloma częściami procesu jest kluczowym elementem w charakteryzowaniu, projektowaniu i certyfikacji komponentów wytwarzanych za pomocą technologii wytwarzania przyrostowego (AM). Modelowanie rozwiązań analitycznych jest atrakcyjne ze względu na dużą wydajność obliczeniową i łatwość użycia, a także możliwość budowania bezpośredniej relacji analitycznej między parametrami wejściowymi i wyjściowymi.
Równolegle z postępem różnych procesów AM poczyniono znaczne postępy w modelowaniu obliczeniowym wielorakiej fizyki z nimi związanej w różnych skalach. Większość badań koncentrowała się na metodach elementów skończonych (MES) i metodach opartych na cząstkach ze względu na złożoność zarówno problemu wielu fizyki, jak i dziedzin pokrewnych.
Przy założeniu minimalnych warunków bezwładności odpowiedź termomechaniczną elastycznych ciał stałych można opisać, rozwiązując dwa zbieżne równania różniczkowe cząstkowe (PDE). Obszerne tabelaryczne kombinacje dokładnej funkcji Greena w równaniu przewodzenia ciepła można znaleźć w wielu źródłach bibliograficznych. Enriched Analytical Solution Method (EASM) została niedawno wprowadzona jako sposób na stworzenie ogólnego rozwiązania termoanalitycznego, które mogłoby wyeliminować wiele jego podstawowych założeń.
Zastosowanie rozwiązań analitycznych do rozwiązywania quasi-statycznych zagadnień termomechanicznych związanych z przenoszeniem źródeł ciepła było przedmiotem szeroko zakrojonych badań. Jedną z najbardziej znanych technik są odkształcenia własne, definiowane jako wszelkie naprężenia niesprężyste, takie jak odkształcenia niesprężyste, rozszerzalność cieplna lub odkształcenia związane z przesunięciem fazowym.
O badaniu
W niniejszym opracowaniu autorzy przedstawiają model analityczny do obliczania zależnych od czasu rozkładów mechanicznego pola cieplnego 3D w zakresie osadzania ciepła i wyzwań AM. Wyznaczono domeny naprężenia, przemieszczenia i ciśnienia przemieszczającego się przepływu ciepła w obiektach przewodzących ciepło i odkształconych mechanicznie. Problem został rozwiązany przy użyciu sparowanej techniki jednokierunkowej, w której pola temperatury obliczone analitycznie przez rozwiązanie problemu wymiany ciepła zostały wykorzystane jako dane wejściowe do rozwiązania analitycznego problemu mechaniki ciał stałych.
Zespół zmierzył się z problemem wymiany ciepła za pomocą stworzonej niedawno skali EASM, która została wykorzystana do oceny czasoprzestrzennego rozkładu pól temperatury generowanych podczas procesów AM. Niejednorodne termiczne pole odkształcenia własnego zostało użyte w połączeniu z funkcją Green halfspace, aby wyprowadzić odpowiednie pola sprężyste. W przypadku zastosowania jednościeżkowego zgrzewania laserowego warstw proszkowych, wyniki analityczne pól sprężystych porównano z wynikami uzyskanymi za pomocą analizy elementów skończonych.
Badacze omówili trzy różne metody oceny domen elastycznych. Pierwsza metoda została wykorzystana do rozwiązania równania różniczkowego wymiany ciepła, a wewnętrzne odkształcenia termiczne zostały wykorzystane do dodania wpływu temperatury na pola sprężyste. Druga i trzecia technika opierały się na statycznych, termoelastycznych rozszerzeniach teorii wzajemności.
W szczególności drugie podejście opierało się na teorii wzajemności w sytuacjach dynamicznych. Trzecia metoda wykorzystywała uogólnienie techniki Maisela w oparciu o formuły całkowe typu Poissona do bezpośredniego rozwiązywania równań Lamy’ego. Głównym celem było połączenie termicznego EASM z elastycznym modelem analitycznym w celu obliczenia naprężeń, przemieszczeń 3D i pól naprężeń w strukturach przewodzących ciepło w wyniku mobilnego przepływu ciepła.
Uwagi
Z wyjątkiem t = 0, gdy oba modele mają wartości zerowe, model analityczny odtworzył wynik MES, co dało duży błąd względnej różnicy. Błąd różnicy względnej był znaczny w czasie 0,25 s, ponieważ trzecia składowa przemieszczenia (u3) miał asymptotyczny kontrast 0,15 s.
Wyniki pokazały, że proponowany model analityczny dokładnie odpowiada obliczonej odpowiedzi strukturalnej przy użyciu elementów skończonych. Ponieważ model analityczny przewidywał odpowiedź strukturalną dla pół-nieskończonych domen skończonych, wywnioskowano, że proponowany model można wykorzystać do oszacowania odpowiedzi strukturalnej dla pół-nieskończonych domen skończonych.
Wnioski
Podsumowując, badanie to dostarczyło modelu analitycznego do obliczania naprężeń, przemieszczeń 3D i pól naprężeń w obiektach przewodzących ciepło z powodu poruszającego się źródła ciepła. Przenoszenie ciepła zostało po raz pierwszy rozwiązane za pomocą EASM, który wprowadził pole termiczne dzięki ruchomemu źródłu ciepła. Pole temperatury zostało użyte jako dane wejściowe, a pola sprężyste 3D zostały ocenione przy użyciu trzech metodologii. W przypadku zastosowania jednościeżkowego fuzji laserowej warstwy proszkowej, prognozy analityczne pól sprężystych porównano z wynikami uzyskanymi za pomocą analizy elementów skończonych.
Autorzy podkreślili, że potrzebne są dalsze prace nad poprawą stosowalności rozwiązania dla scenariuszy o ograniczonych granicach i ekstremalnych nieliniowych fluktuacjach właściwości materiałów ze względu na zależność temperaturową. Uważają, że plastyczność i przejście fazowe wraz z bardziej złożonymi modelami materiałów będą przedmiotem badań w przyszłości.
Więcej od AZOM: Wykorzystanie i zastosowania spektroskopii absorpcji atomowej płomienia
źródło
Apter NA, Michopoulos, JJ, Steuben, JC, et al. Rozwiązania analityczne dla termoplastycznych procesów wytwarzania przyrostowego. Produkcja przyrostowa 102892 (2022). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422002901
