Математическое моделирование сложного теплообмена при разработке лазерных SLM технологий

Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ


Авторы

Лебёдкин И. Ф. 1*, Молотков А. А. 2**, Третьякова О. Н. 2***

1. НИИ «ЭСТО», просп. Георгиевский, д. 5, стр. 1, Москва, Зеленоград, 124460, Россия
2. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия

*e-mail: ivan_leb@mail.ru
**e-mail: karacerr@gmail.com
***e-mail: tretiyakova_olga@mail.ru

Аннотация

В работе представлена математическая модель нагрева поверхности тела гауссовым пучком лазерного излучения для моделирования SLM процесса. Решена краевая задача теплопроводности с учетом фазовых переходов. Приведены расчёты в двух вариантах: при помощи программного комплекса ANSYS, где используется метод конечных элементов, и при помощи собственного программного обеспечения, где используется явная конечно-разностная схемы. Проведены анализ и сравнение полученных результатов с несколькими работами других авторов.

Ключевые слова

математическая модель, гауссов пучок, лазер, уравнение теплопроводности, фазовые переходы, численное решение

Библиографический список

  1. Вакс Е.Д., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г. Практика прецизионной лазерной обработки. – М.: Техносфера, 2013. – 696 с.

  2. Вакс. Е.Д., Лебёдкин И.Ф., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г., Толокнов А.Ф. Резание металлов излучением мощных волоконных лазеров. – М.: Техносфера, 2016. – 352 с.

  3. Моргунов Ю.А., Саушкин Б.Л. Аддитивные технологии для авиакосмической техники // Аддитивные технологии. 2016. № 1. С.30 – 38.

  4. Раевский Е.В., Цыганцова А.Л. Лазерные аддитивные технологии: перспективы применения // Аддитивные технологии. 2016. № 1. С.10 – 12.

  5. Schmidt M. The Additive manufacturing in production: Challenges and opportunities // Proc. SPIE. 2-nd Int. Symp. on Laser 3D Manufacturing, 2015, no. 9353, рp. 9353-2.

  6. Alkhayat M. Comparison of Geometrical Properties of Parts Manufactured by Powder Bed Based (SLM) and Powder Fed Based (LMD) Laser Additive Manufacturing Technologies // Proc. ICALEO. Laser Materials Processing Conference, 2014, Paper 1502.

  7. Choi J., Han L., Hua Y. Modeling and Experiments of Laser Cladding With Droplet Injection // Journal Heat Transfer. ASME. 2005, 127(9), pp. 978–986, available at: https://www.flow3d.com/wp-content/uploads/2014/06/Simulation-of-Laser-Additive-Manufacturing-and-its-Applications.pdf

  8. Bugeda G., Cervera M., Lombera G. Numerical Prediction of Temperature and Density Distributions in Selective Laser Sintering Processes // Rapid Prototyping Journal, 1999, no. 5, pp. 21 – 26, available at: http://cervera.rmee.upc.edu/papers/1999-IJRP-laser-sintering.pdf

  9. Xiao B., Zhang Y. Numerical Simulation of Direct Metal Laser Sintering of Single-Component Powder on Top of Sintered Layers // ASME Journal Manufacturing Science and Engineering, 2008, no. 130, pp. 041002, available at: http://www.academia.edu/20776977/Numerical_Simulation_of_Direct_Metal_Laser_Sintering_of_Single-Component_Powder_on_Top_of_Sintered_Layers

  10. Abe F., Osakada K., Shiomi M., Uematsu K., Matsumoto M. The manufacturing of hard tools from metallic powders by selective laser melting // Journal of materials processing technology, 2001, no. 111(1), pp. 210–213, available at: https://www.researchgate.net/publication/257344311_The_manufacturing_of_hard_tools_from_metallic_powders_by_selective_laser_melting

  11. Badrossamay M., Childs T. Further studies in selective laser melting of stainless and tool steel powders // International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, no. 47(5), pp. 779 – 784, available at: https://www.researchgate.net/publication/223811554 Further studies in selective laser melting of stainless and tool steel powders

  12. Vandenbroucke B., Kruth J.-P., Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts // Rapid Prototyping Journal, 2007, vol. 13, no. 4, pp. 196 – 203, available at: http://sffsymposium.engr.utexas.edu/Manuscripts/2006/2006-15-Vanderbroucke.pdf

  13. Yasa E., Kruth J. Application of laser re-melting on selective laser melting parts // Advances in Production Engineering & Management 6, 2011, no. 4, pp. 259 – 270, available at: http://apem-journal.org/Archives/2011/APEM6-4_259-270.pdf

  14. Yap C.Y., Chua C.K., Dong Z.L., Liu Z.H., Zhang D.Q., Loh L.E., Sing S.L. Review of selective laser melting: Materials and applications/ Applied Physics Reviews, December 2015, vol. 2, Issue 4, id.041101, available at: https://www.researchgate.net/publication/286497734_Review_of_selective_laser_melting_Materials_and_applications

  15. Yuan P., Gu D. Molten pool behaviour and its physical mechanism during selective laser melting of TiC / AlSi10Mg nanocomposites: simulation and experiments // Journal of Physics D: Applied Physics, 2015, no. 48(3), 035303, available at: https://www.researchgate.net/publication/273186399_Molten_pool_behaviour_and_its_physical_mechanism_during_selective_laser_melting_of_TiCAlSi10Mg_nanocomposites_Simulation_and_experiments

  16. Papadakis L., Loizou A., Risse J., Bremen S. A thermo-mechanical modeling reduction approach for calculating shape distortion in SLM manufacturing for aero engine components, January 2014 available at: https://www.researchgate.net/publication/287542993_A_thermo-mechanical_modeling_reduction_approach_for_calculating_shape_distortion_in_SLM_manufacturing_for_aero_engine_components

  17. Формалев В.Ф. Тепломассоперенос в анизотропных твердых телах. Численные методы, тепловые волны, обратные задачи. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. – 280 с.

  18. Формалев В.Ф., Колесник С.А. Методика, алгоритм и программный комплекс по определению теплового состояния охлаждаемых микроракетных двигателей // Труды МАИ. 2014. № 78. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=53710

  19. Горюнов А.В., Молодожникова Р.Н, Прокофьев А.И. Нелинейная задача теплопроводности для тонкой оболочки // Труды МАИ. 2013. № 71. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=46856

  20. Горюнов А.В., Молодожникова Р.Н., Прокофьев А.И. Температурное поле подкрепленной тонкостенной конструкции при одностороннем нагреве // Труды МАИ. 2013. № 71. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=46842

  21. Лебёдкин И.Ф., Третьякова О.Н. Анализ физико-математических проблем при проектировании технологического оборудования для технологии послойного лазерного сплавления // Материалы ХХIII Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. (Вятичи, 13-17 февраля 2017).– М.: ТРП, 2017. Т.1. С. 155 – 157.

  22. Лебёдкин И.Ф., Молотков А.А., Третьякова О.Н. Математическое моделирование тепловых процессов для разработки лазерных SLM технологий // Российская научно-техническая конференция с международным участием «Оптические технологии, материалы и системы» ОПТОТЕХ – 2017. Сборник докладов. (Москва, 14-15 декабря 2017). – М.: Московский технологический университет (МИРЭА). 2018. С. 61 – 67.

  23. Лебёдкин И.Ф., Молотков А.А., Третьякова О.Н. О возможности математического моделирования и методике экспериментального исследования SLM процессов для разработки нового лазерного технологического оборудования // XII Международная конференция по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (NPNJ’2018). (Алушта, 24-31 мая 2018). – М.: Изд-во МАИ, 2018. С. 496 – 497.

  24. Кондратенко В.С., Третьякова О.Н. Проблемы создания новых лазерных технологий. Монография: – М.: Изд-во МАИ, 2018. – 160 с.

  25. Кондратенко В.С., Высоканов А.А., Сакуненко А.Ю., Третьякова О.Н., Молотков А.А., Тикменов В.Н. Разработка металлогибридного термоинтерфейса: экспериментальное исследование и математическое моделирование // Успехи прикладной физики. 2018. № 2. С. 166 – 173.

  26. Gusarov A.V., Yadroitsev I., Bertrand Ph., Smurov I. Model of Radiation and Heat Transfer in Lazer-Powder Interaction Zone at Selective Lazer Melting // Journal of Heat Transfer, 2009, vol. 131: 072101-1-9, available at: https://www.researchgate.net/publication/275383373

  27. Dayal Ram. Numerical Modelling of Processes Governing Selective Laser Sintering. Technische Universität, Darmstadt, Ph.D. Thesis, 2014, available at: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3988/

  28. Luis E. Criales, Yiğit M. Arısoy and Tuğrul Özel. MSEC2015-9321 A sensitivity analysis study on the material properties and process parameters for selective laser melting of inconel 625 // 2015 ASME International Conference on Manufacturing Science and Engineering, 8-12 June, 2015, Charlotte, NC, available at: https://www.researchgate.net/publication/282293995


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2021

Вход