Εισαγωγή

Η ομάδα ανάπτυξης προσομοίωσης της Autodesk Netfabb είναι στην ευχάριστη θέση να ανακοινώσει την κυκλοφορία πειραματικά επικυρωμένων ιδιοτήτων υλικού από ανοξείδωτο χάλυβα 316L και ενός γενικού PRM. Αυτά θα συμπεριληφθούν στην επερχόμενη έκδοση 2023.0 του Netfabb Simulation, αλλά μπορούν να ληφθούν και να εισαχθούν σε προηγούμενες εκδόσεις του λογισμικού από εδώ. Η πολυετής προσπάθεια επικύρωσης κατέστη δυνατή από πολλούς βιομηχανικούς και ερευνητικούς εταίρους, όπως:

• Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge
• Κρατικό Πανεπιστήμιο Youngstown
• CIMP3D
• OneClick Metal
• Grundfos
• Μπέικερ Χιουζ

Η πρόκληση

Προτού η ομάδα ανάπτυξης εκτελέσει την πρώτη της δοκιμαστική εκτύπωση, η επικύρωση του 316L αναμενόταν να είναι ένα από τα πιο δύσκολα υλικά που έχουν επιχειρήσει ακόμα. Αυτό προκύπτει από τρεις γνωστές περιοχές αβεβαιότητας σχετικά με αυτόν τον κοινό χάλυβα:

1. Απορρόφηση λέιζερ: Σε αντίθεση με τα σχετικά στενά όρια απορρόφησης λέιζερ για δημοφιλή πρόσθετα μέταλλα όπως το Ti-6Al-4V και το AlSi10Mg, το 316L έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι απορροφά το 25-75% της θερμότητας που προσπίπτει ανάλογα με τις συνθήκες επεξεργασίας¹. Αυτή είναι μια βασική είσοδος προσομοίωσης.
2. Μεταβλητή Σύνθεση: Ενώ άλλα κοινά υλικά, ιδιαίτερα τα υπερκράματα νικελίου, έχουν συνθέσεις αρκετά σταθερής φάσης, οι χάλυβες παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα φάσεων μετά τη διαμόρφωση ανάλογα με τον ρυθμό ψύξης². Η διακύμανση στη σύνθεση φάσης μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολές στις ιδιότητες του υλικού.
3. Μετασχηματισμός φάσης στερεάς κατάστασης: Κατά την επικύρωση του Ti-6Al-4V διαπιστώθηκε ότι η λογιστικοποίηση των κρυσταλλογραφικών στελεχών που παράγονται κατά τον μετασχηματισμό φάσης στερεάς κατάστασης ήταν ζωτικής σημασίας για τη μοντελοποίηση της κατασκευής πρόσθετων του κράματος με ακρίβεια³. Το 316L μπορεί να υποβληθεί σε δύο μετασχηματισμούς φάσης στερεάς κατάστασης σε διαφορετικές θερμοκρασίες². Ανάλογα με την ακριβή σύνθεση του 316L που χρησιμοποιείται, μπορεί να υπάρχουν σημαντικές διακυμάνσεις σε αυτές τις θερμοκρασίες μετασχηματισμού². Λόγω της αβεβαιότητας της σύνθεσης φάσης στο σημείο 2, αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα έναν μη ομοιογενή κρυσταλλογραφικό μετασχηματισμό, ή πιο απλά, ένα άγνωστο ποσοστό 316L θα χαλαρώσει μια άγνωστη ποσότητα πλαστικού στελέχους σε πιθανώς δύο άγνωστες θερμοκρασίες.

Μεθοδολογία

Οι αρχικές προσπάθειες επικύρωσης του 316L χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες σαρώσεις κατασκευασμένων εξαρτημάτων Powder Bed Fusion απέτυχαν να καταλήξουν σε ένα ενιαίο σύνολο ιδιοτήτων και απορροφητικότητα λέιζερ που απέδωσαν ακριβή αποτελέσματα σε μια σειρά από ενεργειακές πυκνότητες και όγκους κατασκευής. Αυτό παρακίνησε επί τόπου πειράματα Κατευθυνόμενης Εναπόθεσης Ενέργειας στο Εθνικό Εργαστήριο Oakridge (ORNL)

Πειράματα επικύρωσης επί τόπου DED

Για να καταγραφεί η θερμική και μηχανική συμπεριφορά του 316L κατά την κατασκευή προσθέτων, δημιουργήθηκε μια δοκιμαστική εγκατάσταση στο ORNL σύμφωνα με καθιερωμένες βέλτιστες πρακτικές⁴. Ένα υπόστρωμα 316L στερεώθηκε στο ένα άκρο, επιτρέποντας στο άλλο να παραμορφωθεί ελεύθερα. Τα θερμοστοιχεία συγκολλήθηκαν με κόλληση σε 5 θέσεις κατά μήκος της βάσης και των πλευρών του υποστρώματος. Ένας αισθητήρας μετατόπισης επαφής προσαρτήθηκε στο ελεύθερο άκρο του υποστρώματος για να καταγράψει την κυκλική παραμόρφωση. Ένας τοίχος μήκους 100 mm, πλάτους 3 σφαιριδίων και ύψους 50 mm κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας συνεχή εναπόθεση.

Υπήρχαν τρία βασικά ευρήματα από αυτή την εργασία:

1. Η θερμική απορροφητικότητα των 316 L κατά την Παρασκευή πρόσθετων είναι περίπου 36%: Η προσομοίωση των δύο πρώτων γραμμών εναπόθεσης μας επιτρέπει να εξετάσουμε τη θερμική συμπεριφορά πριν προκύψουν επιπλοκές λόγω οριακών συνθηκών και ακραίων θερμικών μη γραμμικοτήτων, καθιστώντας το σχετικά απλό βαθμονομήστε την απορροφητικότητα.

2.Επικύρωση των θερμικών ιδιοτήτων και των οριακών συνθηκών: Τα διαγράμματα των θερμοκρασιών από τις μετρήσεις του θερμοστοιχείου και τη θερμική προσομοίωση δείχνουν εξαιρετική συμφωνία.

3. Η συμπεριφορά μετατόπισης δείχνει ότι το βασικό μοντέλο υλικού που χρησιμοποιήθηκε δεν ήταν επαρκές για την ακριβή προσομοίωση του 316L: Η σύγκριση της προσομοιωμένης μετατόπισης του υποστρώματος του προβόλου με τις επιτόπιες μετρήσεις δείχνει μεγάλη διαφορά. Η προσομοίωση είναι ακριβής για το αρχικό τμήμα της κατασκευής και, στη συνέχεια, το μοντέλο αρχίζει να υπερπροβλέπει την παραμόρφωση. Αυτό ήταν αρκετά παρόμοιο με το αποτέλεσμα χαλάρωσης του στρες που παρατηρήθηκε στο Ti-6Al-4V³.

Μια σειρά προσομοιώσεων έδειξε καλή ακρίβεια σε όλο το ιστορικό παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας θερμοκρασία χαλάρωσης τάσης 640 ⁰C:

Laser Powder Bed Fusion Validation

Με μια καλύτερη κατανόηση της απορροφητικότητας λέιζερ και της συμπεριφοράς του υλικού του 316L, αυτά τα ευρήματα εφαρμόστηκαν σε προσομοιώσεις μερικής κλίμακας σε μια σειρά από γεωμετρίες και πυκνότητες ενέργειας.

Youngstown State University Square Canonical

Το Square Canonical σχήμα σχεδιάστηκε από την GE Global Research για την επικύρωση εργαλείων προσομοίωσης πρόσθετων. Με λεπτούς εξωτερικούς τοίχους που συναντώνται από ένα πολύ παχύ τμήμα που αναπτύσσεται από το εσωτερικό, αυτή η γεωμετρία κύβου περίπου 1 ίντσας (25 mm) μπορεί να εμφανίσει ορατή παραμόρφωση. Η κανονική παραμόρφωση κορυφής του YSU είναι -0,25 mm ενώ η προσομοίωση προέβλεψε -0,16, αποδίδοντας αποδεκτή ακρίβεια -36% σφάλματος.

Κοίλη αεροτομή CIMP3D

Το Hollow Airfoil είναι ένα άλλο μικρό εξάρτημα που μπορεί να παρουσιάσει δραματική παραμόρφωση κατά την παραγωγή. Εδώ το τυπωμένο 316L Airfoil έδειξε -0,89 mm ενώ η προσομοίωση προβλέπει κορυφή 1,21 mm, σφάλμα +36%.

Πτερωτή OneClick

Οι αρχικές προσομοιώσεις με χρήση του συστήματος OneClick έδειξαν ότι η απορροφητικότητα λέιζερ που ελήφθη από την εργασία DED ήταν πολύ χαμηλή. Μια μελέτη βαθμονόμησης έναντι του κανονικού τμήματος οδήγησε σε τιμή απορροφητικότητας 52% για 316L στις μηχανές OneClick. Το Impeller, ένα μεγαλύτερο τμήμα πλάτους 65 mm, παραμόρφωσε το μέγιστο -0,80 mm, ενώ η προσομοίωση έδωσε μια μέγιστη τιμή παραμόρφωσης -0,79 mm, ένα σφάλμα μόλις 1,3%.

συμπέρασμα

Επιτυγχάνοντας επί τόπου μετρήσεις της θερμομηχανικής συμπεριφοράς του ανοξείδωτου χάλυβα 316L μέσω πειραματικών μετρήσεων DED, η ομάδα ανάπτυξης της Autodesk Netfabb Simulation μπόρεσε να δημιουργήσει ένα σύνολο ιδιοτήτων υλικού που ισχύουν για ένα ευρύ φάσμα ενεργειακών πυκνοτήτων και γεωμετριών. Ένα γενικό PRM είναι τώρα διαθέσιμο για γενικευμένη προσομοίωση σύντηξης κλίνης σκόνης. Τα προσαρμοσμένα PRM μπορούν να δημιουργηθούν από το προκύπτον σύνολο δεδομένων υλικού με βάση τις ακριβείς παραμέτρους επεξεργασίας των χρηστών. Λόγω της μεταβλητότητας της απορροφητικότητας λέιζερ 316L, οι χρήστες μπορεί να θέλουν να διεξάγουν τις δικές τους μελέτες απορροφητικότητας για να ρυθμίσουν με ακρίβεια τις προσομοιώσεις τους.

βιβλιογραφικές αναφορές

1. Trapp, Johannes, et al. «Επί τόπου μετρήσεις απορροφητικότητας μεταλλικών σκονών κατά την κατασκευή πρόσθετων σύντηξης σκόνης-κρεβάτι λέιζερ». Εφαρμοσμένα Υλικά Σήμερα 9 (2017): 341-349.
2. Krauss, George. Χάλυβες: επεξεργασία, δομή και απόδοση. Asm International, 2015.
3. Denlinger, Erik R., et al. «Επίδραση του χρόνου παραμονής μεταξύ των στρωμάτων στην παραμόρφωση και την υπολειπόμενη τάση στην κατασκευή πρόσθετων κραμάτων τιτανίου και νικελίου». Journal of Materials Processing Technology 215 (2015): 123-131.
4. Γκουγκ, Μιχαήλ και Παν Μιχαλέρης. “Μια εισαγωγή στις διαδικασίες παραγωγής προσθέτων και στις προκλήσεις μοντελοποίησης τους.” Θερμομηχανική μοντελοποίηση παραγωγής πρόσθετων. Butterworth-Heinemann, 2018. 3-18.