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...]
Ottimizzazione della forma di un sanitario
La progettazione dei sanitari non segue solo criteri estetici ma deve sottostare anche a delle rigide normative che ne regolano il buon funzionamento. Tra queste, un sanitario deve garantire una buona ed efficace pulizia delle superfici interne, facendo sì che in fase di scarico l’acqua rimuova adeguatamente la maggior parte dello sporco. Il presente studio è volto ad analizzare possibili forme alternative sia per l’inlet dell’acqua di scarico sia per la tazza stessa, che massimizzino la superficie dell’interno del sanitario bagnata dall’acqua. Le variabili in gioco sono potenzialmente molteplici ed interconnesse tra loro: esplorarne manualmente tutti i possibili valori può essere un lavoro molto lungo e complesso, così come comprenderne gli effetti sull’obiettivo fissato. Per questo motivo si è scelto di utilizzare un software di ottimizzazione che rispondesse a questa esigenza: interfacciandosi con i più disparati software si è infatti in grado di automatizzare il lavoro, analizzare l’influenza di molteplici parametri e di comprendere il legame tra essi e le performance che si vogliono migliorare. Il software scelto è IMPROVEit, che grazie alla sua interfaccia semplice permette di svolgere agevolmente sia la fase di setup che l’elaborazione dei risultati. https://www.youtube.com/watch?v=7KoQHw1VQfk&feature=youtu.be Il software è in grado di modificare internamente la forma di geometrie STL sulla base di parametri fissati dall’utente, lanciare delle simulazioni fluidodinamiche interfacciandosi con il software CFD FLOW-3D® utilizzando le geometrie modificate, estrarre i risultati del software ed elaborarli con opportuni nodi matematici o invocando Excel per ottenere la quantità da ottimizzare. FLOW-3D® è stato scelto per le sue ottime capacità, in termini di velocità e accuratezza, nel calcolo di flussi transitori e a superficie libera. Sono stati scelti tre parametri geometrici da variare, per non complicare eccessivamente il problema: la direzione dell’inlet, la sezione di uscita dell’inlet e la pendenza della parte anteriore del sanitario, giocando con la curvatura qui presente. L’ottimizzazione può essere certamente complicata con più tempo a disposizione. L’obiettivo invece è di massimizzare la superficie bagnata dell’interno del sanitario, calcolata come l’integrale dell’area coperta da liquido durante tutto il tempo di scarico suddivisa per il tempo di scarico stesso. Inoltre, è stato imposto il vincolo che l’acqua non debba fuoriuscire dalla parte superiore del sanitario, nemmeno in piccole quantità, per scartare quelle soluzioni che pur lavando bene la superficie provocano spruzzi indesiderati. La simulazione fluidodinamica è stata impostata inizializzando l’acqua nella vaschetta a monte del sanitario e impostando come condizioni al contorno l’uscita dal tubo di scarico e la pressione atmosferica dell’aria. Così facendo il flusso d’acqua è libero di entrare liberamente e naturalmente all’interno del sanitario. La simulazione è arrestata quando la vaschetta è completamente vuota. IMPROVEit ha il vantaggio di non necessitare di conoscenze nel campo dell’ottimizzazione per essere utilizzato, in quanto è in grado di scegliere autonomamente la strategia migliore per raggiungere l’obiettivo. Richiede soltanto di definire un budget, ovvero il tempo che si vuole dedicare all’ottimizzazione, poiché la strategia scelta è tale da cercare le soluzioni ottimali intorno alla fine di questo periodo. Poiché ogni ciclo di calcolo (variazione delle geometrie, simulazione fluidodinamica ed elaborazione degli output) dura all’incirca 40 minuti, si è scelto un budget di 25 cicli, in modo da avere il risultato in poco più di un giorno. Considerando che ci sono 3 variabili in gioco e che il problema è di natura complessa, si può ritenere un caso piuttosto impegnativo per il software di ottimizzazione. Nonostante ciò, IMPROVEit è stato già in grado di proporre soluzioni che aumentino la superficie del wc bagnata dall’acqua fino al 35%. Inoltre, analizzando il panorama delle soluzioni trovate, si può comprendere meglio l’influenza dei vari fattori. Si nota, infatti, come diametri di uscita più larghi premino poiché permettono una fuoriuscita maggiore di massa nell’unità di tempo, nonostante una strozzatura ridotta comporti velocità maggiori. La direzione dell’inlet che dà i migliori risultati, invece, è quella allineata con il piano orizzontale, mentre la forma del sanitario ha effetti più vari, senza evidenziare una tendenza così netta. … [Leggi di più...]
