Questo articolo è stato realizzato da Y.S. Lee [1,2] e W. Zhang [1]
[1] Programma di ingegneria della saldatura, Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria, Ohio State University, Columbus, OH
[2] Attualmente, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN
Modellazione del trasferimento di calore e del flusso di metallo fuso
La fabbricazione additiva della fusione a letto di polvere laser (L-PBF) comporta processi fisici complessi. In particolare, l’energia assorbita dal raggio laser fonde le particelle e forma una piscina fusa in cui si verifica un forte movimento del fluido guidato principalmente dal gradiente di tensione superficiale (o dallo sforzo di taglio di Marangoni). Il trasferimento di calore e il movimento del fluido sono significativamente influenzati dalla disposizione locale delle particelle di polvere nel letto di polvere che può variare da un luogo all’altro. A causa del movimento del fluido altamente transitorio, la forma della superficie fusa della piscina (una superficie libera) è in continua evoluzione, influenzando la qualità della superficie finale.
La modellazione numerica
Per comprendere quantitativamente l’effetto delle caratteristiche della preparazione della polvere, dei parametri di processo e della dinamica del bagno fuso sulla qualità della superficie, il presente studio utilizza due modelli in sequenza. Il primo modello è un modello di compattamento di particelle di polvere sviluppato sulla base di Yade, un metodo open source ad elementi discreti (DEM). Esso fornisce le informazioni sulla sovrapposizione delle particelle (ad es. posizione e raggio delle singole particelle). Tali informazioni vengono poi immesse nel secondo modello, un modello di piscina fusa transitoria 3D basato su FLOW-3D. I dettagli dei due modelli sono disponibili in letteratura [1]. Le caratteristiche salienti del modello di piscina fusa basato su FLOW-3D sono riassunte di seguito.
La simulazione del flusso transitorio viene eseguita in un dominio computazionale 3D con dimensioni di 1000 μm (lunghezza), 270 μm (larghezza) e 190 μm (altezza), come mostrato in Fig. 1. Il dominio comprende uno strato di particelle di polvere dello spessore di 50 μm posate su un substrato dello spessore di 90 μm. Il resto del dominio è inizialmente riempito di vuoto. La geometria dello strato di polvere viene inizializzata utilizzando i risultati della simulazione DEM. Per massimizzare la risoluzione spaziale, riducendo al contempo il numero totale di cellule, si utilizza una mesh distorta in cui la dimensione di maglia si riduce continuamente da 9 μm a 3 μm nel substrato verso il l’interfaccia dello strato di polvere. La dimensione della maglia è mantenuto costante 3 micron nello strato di polvere e nel vuoto sopra di esso. Il numero totale di cellule è di 1,43 milioni.
Per le condizioni al contorno, un flusso di calore prescritto basato sulla distribuzione gaussiana è imposto sulla superficie superiore dello strato di polvere per rappresentare il calore immesso dal laser che si muove lungo la direzione X. La tensione superficiale dipendente dalla temperatura è inclusa utilizzando il modello di tensione superficiale ottimizzato disponibile in FLOW-3D. Per altre proprietà termofisiche, vengono utilizzati i dati per la lega IN718 disponibili nel database FLOW-3D.
La simulazione transitoria di circa 600 microsecondi di L-PBF richiede circa 40 ore di tempo macchina utilizzando una workstation con processore Intel® Xeon® Processor E5335 e 4 GB di RAM.
Risultati e discussione
La figura 1 mostra la vista della sezione longitudinale (cioè una sezione parallela alla direzione di avanzamento del laser) dell’isosuperficie di temperatura e dei vettori di velocità nel bagno fuso al tempo = 55 μs. Il limite della piscina fusa è rappresentato dall’isoterma a 1608.15 K, che è la temperatura di Liquidus della IN718. Come mostrato sul lato destro di questa figura, una particella viene parzialmente fusa nella piscina fusa. Vicino alla superficie fusa della piscina, il metallo fuso viene spinto dalla posizione centrale direttamente sotto il raggio laser fino all’estremità posteriore della piscina. Tale flusso all’indietro di metallo fuso vicino alla superficie della piscina produce un profilo di superficiale che viene spinto sotto il raggio laser mentre forma una gobba verso l’estremità posteriore della piscina. Come discusso di seguito, la forma della gobba può portare alla formazione di un difetto di pallinatura.
La pallinatura è un difetto che può verificarsi quando la piscina fusa diventa discontinua e si rompe in isole separate, come illustrato nella Fig. 2. Come mostrato in questa figura, la piscina fusa direttamente sotto il raggio laser non è stabile e l’estremità posteriore si separa rapidamente dalla parte anteriore per formare un’isola separata. La separazione inizia da un vuoto al centro della piscina fusa, come mostrato in Fig. 2(c). Questo vuoto si espande mentre il laser continua a viaggiare in avanti, fino a rompere la piscina fusa in due parti, come mostrato in Fig. 2(e) e (f). La formazione del vuoto e la sua espansione sono probabilmente causati dal forte flusso all’indietro dovuto al gradiente di tensione superficiale (effetto Marangoni).
Sommario
La simulazione 3D transitoria del trasferimento di calore e del flusso del fluido in L-PBF è effettuata per fornire una visione quantitativa della formazione del difetto di pallinatura. Anche se viene simulata solo una semplice pista lineare, il presente modello mostra l’importanza della simulazione del livello di polvere nello studio del profilo della superficie fusa della piscina e della formazione del difetto di pallinatura, che sono caratteristiche importanti per la qualità del pezzo finale.[]
Questo materiale si basa su una ricerca sostenuta, in toto o in parte, dall’Ufficio di ricerca navale degli Stati Uniti (ONR) con il numero di riconoscimento N00014-14-14-1-0688.
Bibliografia
[1] Y.S. Lee and W. Zhang, Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufacturing, In: 2015 Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, pp. 1154-1165, August 2015.
