Fonti di calore comparate per simulazione di stampa 3D a letto di polvere laser

La stampa 3D con fusione laser a letto di polvere  richiede un grande sforzo per garantire la produzione di parti di qualità – e ci sono molte cose che possono andare male con le stampe metalliche, come la porosità e lo stress residuo, che causa distorsione e rottura del pezzo . Pertanto, è importante ottimizzare il più possibile i parametri della macchina. In un documento intitolato ” Modellazione tridimensionale del trasferimento di calore per la produzione additiva di fusione laser-letto a polvere con sorgenti di calore volumetriche basate sulla variabilità della conduttività termica e dell’assorbanza “, vengono confrontate otto fonti di calore 3D utilizzate per simulare la fusione del letto a polvere laser e nuove equazioni per vengono proposte varie conduttività termica e assorbimento del laser.

Lo schema dei modelli di fonti di calore, (a) forma cilindrica; (b) forma semisferica; (c) forma semi-ellissoidale; (d) forma conica, (e) metodo di trasferimento di radiazioni; (f) metodo di ray-tracing; (g) metodo di decadimento lineare; (h) metodo di decadimento esponenziale.
“I fenomeni fisici associati a un pool di fusione sono altamente complicati, principalmente controllati dalla massa e dal trasferimento di calore”, spiegano i ricercatori. “Le velocità di riscaldamento e raffreddamento sono estremamente elevate a causa dell’irradiazione laser in rapido movimento   sulle particelle di polvere. Inoltre, lo sviluppo dinamico del pool di fusione sotto il letto di polvere, le dinamiche di cambiamento di fase da liquido a vapore e plasma e le particelle di polvere estratte dal flusso di vapore metallico ad alta velocità e dagli effetti capillari esistono nel pool di fusione. Pertanto, sono stati costruiti modelli numerici su piccola scala, che includevano diversi dettagli, come il tracciamento del raggio laser in particelle distribuite casualmente e la fluidodinamica termica, per simulare diversi complessi comportamenti del pool di fusione. Tuttavia, il costo computazionale per tali simulazioni è estremamente alto. ”
Pertanto, i ricercatori propongono modelli di simulazione efficaci con alcune approssimazioni e assunzioni per prevedere le dimensioni dei pool di fusione, al fine di ridurre il tempo di calcolo.

Gli esperimenti sono stati effettuati su una  macchina EOS M 290. Un modello di elementi finiti a trasferimento termico 3D per la fusione del letto a polvere laser è stato sviluppato per prevedere con precisione le dimensioni del pool di fusione e le caratteristiche della superficie.

Proprietà del materiale termico dipendente dalla temperatura (a) densità di SS17-4PH; (b) conduttività termica di SS17-4PH; (c) capacità termica di SS17-4PH; (d) proprietà del materiale in acciaio al carbonio dolce.
“Sulla base della revisione della letteratura, otto modelli di fonti di calore sono utilizzati per la modellazione numerica di LPBF e possono essere classificati come 1) gruppo geometricamente modificato (GMG); e, 2) gruppo profilo di assorbanza (APG) “, affermano i ricercatori. “Sono stati effettuati esperimenti per convalidare i risultati della simulazione. Tutti gli otto modelli di fonti di calore portano a oltre il 40% delle piscine di fusione meno profonde rispetto agli esperimenti. ”
Particelle di polvere di acciaio inossidabile
Per migliorare le prestazioni del modello, è stato proposto e applicato alla simulazione di trasferimento del calore con la sorgente di calore esponenzialmente decrescente un modello matematico con variabilità della conducibilità termica anisotropicamente elevata e variabilità dell’assorbanza.

I ricercatori sono giunti a due conclusioni principali:

“Le espressioni di varia conduttività termica anisotropicamente migliorata e variabilità dell’assorbanza erano equazioni algebriche lineari”, affermano. “È stato ottenuto un buon accordo tra la simulazione e i risultati sperimentali. L’errore medio della larghezza e della profondità del pool di fusione è rispettivamente del 2,9% e 7,3%.

“Il modello di trasferimento del calore proposto è stato ulteriormente convalidato dalle caratteristiche della superficie, dalla stabilità della pista e dall’angolo di increspatura. Per la stabilità della pista, i risultati previsti sono in buon accordo con i risultati sperimentali. Inoltre, gli angoli di ondulazione simulati rientrano nella gamma dei risultati sperimentali. ”
Hanno anche concluso che le espressioni della fonte di calore possono essere lineari mentre causano i risultati della simulazione in accordo con le dimensioni sperimentali del pool di fusione e la morfologia della superficie del tracciato.

Gli autori del documento includono Zhidong Zhang, Yuze Huang, Adhitan Rani Kasinathan, Shahriar Imani Shahabad, Usman Ali, Yahya Mahmoodkhani ed Ehsan Toyserkani.

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