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. Figura 1. Vista longitudinale in sezione. 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. Figura 2. 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. … [Leggi di più...]
Colata a bassa pressione, problemi di solidificazione precoce
Nei processi di colata a bassa pressione, il metallo liquido viene spostato attraverso un tubo di risalita da un forno , tipicamente in ceramica, in uno stampo metallico. Per fare ciò, il forno viene pressurizzato in modo incrementale in modo da poter controllare l'altezza del metallo liquido e imporre un'elevata compressione finale, una volta che il pezzo è completamente riempito. In questo processo le materozze non sono necessarie, in questo modi si riducono i costi di taglio, ed è possibile ottenere pezzi con un'ottima finitura superficiale e con porosità molto bassa. In ogni caso, la portata del metallo e la temperatura dello stampo devono essere accuratamente calcolati per trovare il miglior compromesso tra velocità del processo e qualità del pezzo finale. Infatti, una portata troppo grande potrebbe portare ad un flusso molto turbolento e ad un eccessivo intrappolamento d'aria; d'altra parte, un riempimento troppo lento (in combinazione con una temperatura bassa dello stampo) potrebbe provocare una solidificazione precoce, impedendo il riempimento completo del pezzo. Utilizzando FLOW-3D® CAST è stato possibile riprodurre attraverso una simulazione accurata, il processo reale, in cui non si ottiene un riempimento completo. Il flusso nel tubo di risalita non è incluso nel setup, imponendo la portata direttamente all'ingresso dello stampo metallico, con la sua temperatura reale. La figura 1 mostra il fluido a metà della fase di riempimento, colorato con la frazione solida. Da questa figura si nota già la solidificazione precoce, sottolineando l'eccessiva velocità di raffreddamento. Figura 1 - Fronte di solidificazione La figura 2, invece, mostra la forma finale dell'alluminio, confrontata con un'immagine della parte reale. La solidificazione del fronte metallico crea un blocco che costringe il metallo ancora liquido a scorrere intorno ad esso fino alla parte superiore del getto, dove si solidifica generando anche un grande foro nella forma finale. Figura 2 - Difetti di solidificazione prematura Il video, infine, mostra la dinamica completa del flusso, sottolineando la fase di solidificazione iniziale e mostrando in dettaglio come il metallo rallenta e si ferma a causa della crescente frazione solida. https://youtu.be/x-VaIm05q6s Video della dinamica del riempimento e della solidificazione … [Leggi di più...]
Simulazione di una turbina Pelton – dal transitorio di innesco alla condizione di regime
Le turbine Pelton (o ruote Pelton) sono tra i tipi di turbina ad oggi maggiormente utilizzate nel mondo per la generazione di corrente elettrica negli impianti idroelettrici per via della loro elevata efficienza. Il loro progetto risale al 1870 tuttavia, pur con alcune modifiche, risultano ancora la prima scelta per i moderni impianti idroelettrici. In una turbina Pelton l'energia è estratta dall'energia cinetica dell'acqua, al contrario di altri tipi di turbina in cui si sfrutta la pressione idrostatica: l'acqua, in arrivo da un bacino a monte, è accelerata ed espulsa contro le pale della turbina. La geometria della pala è studiata opportunamente per poter assorbire la maggior parte di energia cinetica dell'acqua, innescando la rotazione. La velocità di rotazione della turbina è poi convertita in corrente elettrica attraverso un generatore. La simulazione analizza il transitorio di avvio della turbina, dove dell'acqua a 100 m/s viene fatta impattare sulle pale della Pelton inducendo una coppia ed una accelerazione angolare. https://www.youtube.com/watch?v=lb2xEbHmWKw Tutte le geometrie e i dati utilizzati nella simulazione sono realistici e coerenti con i fenomeni reali: la geometria della ruota ha una forma e delle proprietà di massa reali, il fluido è acqua con una velocità ragionevole, e l'ugello contiene una valvola a due vie, utilizzata nelle turbine reali per regolare la portata dell'acqua. Interessante è il grafico della velocità angolare della ruota. Per le turbine Pelton, è noto che l'efficienza massima si raggiunge quando la velocità periferica della ruota è circa la metà della velocità dell'acqua all'ugello. A tale scopo, al centro dell'ugello è stata posizionata una sonda per monitorare la velocità del fluido, mentre un'altra sonda è stata collegata ad un apaletta della ruota per rilevare la velocità periferica. Le due grandezze possono essere visualizzate direttamente in uscita dalla simulazione. I video fanno un ampio uso delle caratteristiche di Flowsight: trasparenza basata sul valore delle variabili, telecamera in movimento, regolazione fine della luce e dei riflessi, visualizzazione multi-plot e multi-viewport. https://youtu.be/TddbeL1lK9I … [Leggi di più...]
