Efficient thermomechanical simulation of laser powder fusion 3D printing process and mechanical behavior modelling of printed structural elements
Authors: Ψυχογυιός Χαράλαμπος 
Published: November 2024

Οι διαδικασίες προσθετικής κατασκευής, γνωστές και ως διαδικασίες τρισδιάστατης εκτύπωσης, είναι μια κατηγορία παραγωγικών μεθόδων που επιτρέπει την κατασκευή εξαρτημάτων με σύνθετη γεωμετρία και θεωρείται ένας από τους πυλώνες της εν εξελίξει Τέταρτης Βιομηχανικής Επανάστασης. Μεταξύ των διαδικασιών προσθετικής κατασκευής, η τήξη σκόνης σε κλίνης με λέιζερ θεωρείται η πιο ώριμη διαδικασία τεχνολογιών προσθετικής κατασκευής για εφαρμογή σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς. Ωστόσο, η αποτελεσματική εφαρμογή της διαδικασίας αυτής παρεμποδίζεται από πολλούς παράγοντες που σχετίζονται κυρίως με την ανάπτυξη ταχέων θερμικών κύκλων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας και την κατώτερη αντοχή κατά την κόπωση των υλικών και των εξαρτημάτων που παράγονται με αυτή την μέθοδο. Η πειραματική διερεύνηση του βέλτιστου συνόλου των παραμέτρων της διαδικασίας της τήξης σκόνης σε κλίνη με λέιζερ αποτελείται από δαπανηρές διαδικασίες δοκιμής και σφάλματος, ενώ η εξάρτηση της μηχανικής συμπεριφοράς των μετάλλων από την επιλογή των παραμέτρων της μεθόδου δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητή. Επομένως, η ανάπτυξη αξιόπιστων μεθόδων αριθμητικής μοντελοποίησης που προβλέπουν τη θερμομηχανική συμπεριφορά και εκτιμούν την διάρκεια κόπωσης των υλικών και των εξαρτημάτων που παράγονται με τη διαδικασία προσθετικής κατασκευής της τήξης σκόνης σε κλίνη με λέιζερ είναι απαραίτητη για την περαιτέρω πρόοδο της διαδικασίας. Ωστόσο, το υπολογιστικό κόστος αυτών των μεθόδων είναι τεράστιο για πρακτικές εφαρμογές. Στην παρούσα μελέτη, παρουσιάζεται η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθοδολογιών για την προσομοίωση της διαδικασίας της τήξης σκόνης σε κλίνη με λέιζερ και την αξιολόγηση της απόδοσης κόπωσης των μετάλλων/μερών που παράγονται με αυτή τη μέθοδο.Για να επιτευχθούν οι ερευνητικοί στόχοι, ένα πλαίσιο μοντελοποίησης που περιλαμβάνει τέσσερις υπο-μεθοδολογίες αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή: η πρώτη αφορά την προσομοίωση υπό-περιοχών των εξαρτημάτων (μέση κλίμακα), η δεύτερη την βελτιστοποίηση με βάση την πυκνότητα των υλικών/εξαρτημάτων της διαδικασίας, η τρίτη την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων/παραμορφώσεων μεγαλύτερων εξαρτημάτων χωρίς ατέλειες (κλίμακα δομικού στοιχείου) και η τέταρτη στοχεύει στην πρόβλεψη της αντοχής σε κόπωση και της αστοχίας των εξαρτημάτων και των υλικών της διαδικασίας. Πιο συγκεκριμένα, τα αναπτυγμένα θερμομηχανικά μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων αυτής της διατριβής στοχεύουν στην μοντελοποίηση των διαφορετικών χωρικών και χρονικών φαινομένων που αναπτύσσονται κατά την διαδικασία της προσθετικής κατασκευής. Αρχικά, αναπτύσσεται ένα θερμομηχανικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων μέσης κλίμακας που στοχεύει στη μοντελοποίηση μικρών τμημάτων των εξαρτημάτων προσθετικής κατασκευής, διερευνώντας τα πλεονεκτήματα της τεχνικής της προσαρμοστικής βελτίωσης πλέγματος – μια αριθμητική τεχνική αραίωσης του πλέγματος – και εφαρμόζεται για την αποδοτική προσομοίωση της διαδικασίας. Αυτό το μοντέλο μέσης κλίμακας προβλέπει τα πεδία θερμοκρασίας σε μικρές περιοχές τμημάτων των εξαρτημάτων της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής. Το θερμομηχανικό μοντέλο χρησιμοποιείται για την προσομοίωση μιας κυβικά χωροκεντρωμένης μοναδιαίας κυψελίδας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το μοντέλο απαιτεί μόνο το ένα τέταρτο του χρόνου μιας πιο συμβατικής προσομοίωσης που βασίζεται στην τεχνική ‘element birth and death’ χωρίς καμία σημαντική απώλεια στην ακρίβεια ως προς την πρόβλεψη των πεδίων της θερμοκρασίας. Επιπλέον, αυτό το μοντέλο μέσης κλίμακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της διαστατικής ακρίβειας των χαρακτηριστικών των εξαρτημάτων που παράγονται με την διαδικασία προσθετικής κατασκευής.Οι διαδικασίες μοντελοποίησης μέσης κλίμακας της μεθόδου προσθετικής κατασκευής χρησιμοποιούνται περαιτέρω για την ανάπτυξη της δεύτερης υπο-μεθοδολογίας μοντελοποίησης για την βελτιστοποίηση της πυκνότητας των υλικών και των εξαρτημάτων της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής. Αυτή η μεθοδολογία προσδιορίζει τις παραμέτρους της διαδικασίας που σχετίζονται με τη σάρωση λέιζερ που οδηγούν στην ελαχιστοποίηση των ατελειών. Αυτό επιτυγχάνεται με την πρόβλεψη των χαρακτηριστικών των λιμνών τήξης για διάφορες παραμέτρους μέσω θερμικών προσομοιώσεων μονής σάρωσης λέιζερ. Έπειτα, οι αρχικά βέλτιστες παραμέτρους χρησιμοποιούνται για την θερμική προσομοίωση της κατασκευής μικρών δοκιμίων για να καθοριστεί η ικανότητα τους για την παραγωγή πλήρως πυκνών εξαρτημάτων. Έτσι, προσδιορίζεται μια σχέση μεταξύ των παραμέτρων διαδικασίας και του πορώδους. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διαδικασίας. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται για τη βελτιστοποίηση των κραμάτων μετάλλων Ti-6Al-4V και 316L SS. Η συμφωνία μεταξύ των αριθμητικών και των πειραματικών αποτελεσμάτων χαρακτηρισμού των βέλτιστων ως προς την πυκνότητα παραμέτρων της διαδικασίας επαληθεύει την παρουσιαζόμενη προσέγγιση. Η τρίτη υπο-μεθοδολογία μοντελοποίησης αφορά την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων και παραμορφώσεων των εξαρτημάτων μεγαλύτερων διαστάσεων που κατασκευάζονται με την διαδικασία προσθετικής κατασκευής. Για τη προσομοίωση της κατασκευής των μηχανικών εξαρτημάτων μεγαλύτερης κλίμακας, εξετάζεται ένα σύνολο υποθέσεων, προκειμένου να παρακαμφθεί η ακριβής μοντελοποίηση των σαρώσεων του λέιζερ και οι σχετικές απαιτήσεις μικρού χρονικού βήματος και μεγέθους στοιχείων. Η χρησιμοποιούμενη μεθοδολογία επαληθεύεται με την προσομοίωση πειραματικών περιπτώσεων αναφοράς για εξαρτήματα της διαδικασίας, όπου αναδεικνύεται η ικανότητα εφαρμογής της και οι περιορισμοί της. Παρέχονται επίσης κατευθυντήριες γραμμές για την αποδοτική διακριτοποίηση των εξαρτημάτων. Η κύρια αιτία της πρόωρης αστοχίας κατά την κόπωση των μετάλλων και των εξαρτημάτων που έχουν παραχθεί με την διαδικασία προσθετικής κατασκευής είναι η παρουσία ατελειών που λειτουργούν ως ανυψωτές τάσεων από τις οποίες ξεκινά η καταστροφική αστοχία. Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, ο σχηματισμός αυτών των ατελειών μπορεί να αναγνωριστεί με την εξέταση των χαρακτηριστικών της λιμνών τήξης, που μπορούν να προβλεφθούν με την θερμική προσομοίωση της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής. Έτσι, στην τέταρτη υπο-μεθοδολογία η ανίχνευση ευαίσθητων περιοχών για το σχηματισμό ατελειών σε εξαρτήματα ή δοκίμια πραγματοποιείται μέσω της θερμικής προσομοίωσης της διαδικασίας. Η πιο κρίσιμη ατέλεια για την αστοχία σε κόπωση προσδιορίζεται και χρησιμοποιείται ως εισαγωγή σε μοντέλα θραυστομηχανικής για την πρόβλεψη της εκτίμησης της διάρκειας ζωής σε κόπωση των μετάλλων και των εξαρτημάτων. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται για τη μοντελοποίηση πειραματικών περιπτώσεων για την πολύ-κυκλική κόπωση δοκιμίων από Ti-6Al-4V και 316L SS που επεξεργάζονται με την παραγωγική διαδικασία. Τα αποτελέσματα της πρόβλεψης παρουσιάζουν μια καλή συσχέτιση με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις επικυρώνοντας την παρούσα προσέγγιση μοντελοποίησης.Τέλος, με βάση την εξέταση των αποτελεσμάτων, συνοψίζονται τα συμπεράσματα και παρέχονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα στο σχετικό επιστημονικό πεδίο.