Procedura di rilevamento dell’accumulo di calore per la stampa 3D SLM

I ricercatori TU Delft sviluppano la procedura di rilevamento dell’accumulo di calore per la stampa 3D SLM
Selective Laser Melting (SLM), una tecnica di stampa 3D a base di polvere nota anche come fusione laser a fascio o fusione laser a polvere, è stata utilizzata per lavorare il metallo in una varietà di settori , come quello automobilistico, medico e aerospaziale . Poiché questo metodo AM offre un’eccellente libertà di forma, è una tecnologia abilitante perfetta per i progetti che sono ottimizzati per la topologia; questo significa che hanno un layout complesso, ma offrono comunque prestazioni superiori. Tuttavia, le stampanti 3D SLM non sempre realizzano le precisioni dimensionali necessarie per componenti molto precisi.

A causa del calore indotto dal laser, gli strati stampati SLM 3D attraversano fasi di riscaldamento rapido, che possono causare imprecisioni, come proprietà meccaniche indesiderate e scarsa finitura superficiale. Se alcune caratteristiche del progetto, come sezioni sottili e sporgenze, che possono causare l’accumulo di calore locale potrebbe essere rilevato in precedenza nella fase di progettazione, questo problema potrebbe essere evitato più facilmente. Per fare ciò, è necessario sviluppare metodi di ottimizzazione della topologia di nuova generazione (TO).

Un gruppo di ricercatori della TU Delft ha recentemente pubblicato un documento, intitolato ” Verso il design per la produzione additiva di precisione: un approccio semplificato per rilevare l’accumulo di calore”, incentrato su una procedura di rilevazione dell’accumulo di calore più semplice, molto importante per la creazione di uno schema TO che possa spiegare aspetti di stampa termica 3D.

“Per affrontare gli aspetti termici di AM in un framework TO, è necessario un modello di processo AM appropriato. Ciò diventa problematico perché un modello di processo AM ad alta fedeltà è molto costoso dal punto di vista computazionale e l’integrazione in un framework TO basato su gradiente diventa ancora più ingombrante “, hanno spiegato i ricercatori nel documento. “Pertanto, in questa ricerca, viene proposto un approccio basato sulla fisica ma altamente semplificato per identificare le zone di accumulo di calore in un dato progetto. Il guadagno computazionale offerto dalla semplificazione rende possibile integrare lo schema di rilevazione dell’accumulo di calore all’interno di un framework TO. ”
Definizione di celle sovrapposte per il rilevamento dell’accumulo di calore.
Oltre a essere utilizzato in un processo TO, la nuova procedura del team può anche essere utilizzata per analizzare in modo indipendente progetti di stampa 3D, miglioramenti del design manuale e persino determinare il miglior orientamento di costruzione.

Due semplificazioni apportate a questa ricerca possono essere utilizzate per ridurre il costo computazionale associato all’analisi termica dei progetti stampabili 3D. Il primo, “motivato dal fatto che la geometria locale di pochi strati precedentemente fusi” può influenzare in modo significativo la velocità di raffreddamento iniziale del nuovo strato, è quello di eseguire analisi termiche in prossimità dello strato stampato 3D che viene depositato.

Il secondo è usare una risposta termica statica, piuttosto che transitoria, per prevedere l’accumulo di calore.

“A tale scopo, è stata sviluppata una comprensione concettuale basata sulla fisica che consente di stimare il comportamento termico transitorio mediato spazialmente di una geometria locale proprio dalla sua risposta allo stato stazionario”, hanno scritto i ricercatori.
La topologia di una struttura può influenzare il suo flusso di calore interno; in quanto tale, diverse caratteristiche geometriche in un design AM possono ostacolare o facilitare il flusso di calore durante il processo di stampa 3D in modo diverso.

I ricercatori hanno spiegato: “In questo lavoro esploriamo la possibilità di quantificare approssimativamente, e quindi confrontare, diverse geometrie dal punto di vista dell’accumulo di calore. A tale scopo, prima vengono studiati i concetti di conduttanza termica e costanti di tempo. ”

La conduttanza termica, equivalente al reciproco della resistenza termica, è la misura di una struttura per condurre il calore, mentre la costante di tempo della risposta termica transitoria è studiata per quantificare la velocità di riscaldamento / raffreddamento. Il team ha anche diviso il progetto nel suo esperimento in celle sovrapposte, in modo da aumentare la possibilità di rilevare le zone di accumulo di calore.

Le costanti di tempo elevato sono state registrate vicino alle superfici di sbalzo e così i ricercatori hanno scoperto che l’accumulo di calore per le caratteristiche del progetto dipende molto dalla geometria locale vicina e che “linee guida di progettazione puramente geometriche di prescrizione di un valore limite di sbalzo potrebbero diventare insufficienti per prevenire i problemi associati con accumulo di calore locale. ”

“Il vantaggio computazionale offerto dal metodo proposto consente lo sviluppo di un metodo di ottimizzazione della topologia basata sulla fisica che sarebbe vantaggioso per la progettazione di componenti AM di precisione”, hanno concluso i ricercatori. “Il prossimo passo per questa ricerca è quello di combinare il metodo sviluppato con l’ottimizzazione della topologia basata sulla densità, penalizzando le caratteristiche del design che tendono ad accumulare calore durante ogni iterazione”.
I coautori del documento sono Rajit Ranjan, Can Ayas, Matthijs Langelaar e Fred van Keulen. Il team pubblicherà un documento aggiuntivo sull’integrazione del metodo di rilevamento dell’accumulo di calore all’interno di un framework TO.

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