Исследование влияния параметров процесса 3D-наплавки проволочных материалов на формирование остаточных деформаций
Автор: Сметанников О.Ю., Максимов П.В., Трушников Д.Н., Пермяков Г.Л., Беленький В.Я., Фарберов А.С.
Статья в выпуске: 2, 2019 года.
Бесплатный доступ
Аддитивные технологии позволяют изготавливать изделия за счет послойного синтеза и таким образом получать изделия сложной формы. При решении комплексной задачи численного моделирования аддитивных технологических процессов необходимо с высокой точностью описывать различные термомеханические явления. Наиболее эффективным в связи с этим является применение сочетания возможностей специализированных программных комплексов и разработки уникальных алгоритмов для них, учитывающих максимально возможное число параметров процесса. В работе рассматривается разработанный и реализованный в пакете ANSYS Mechanical на языке APDL алгоритм расчета нестационарных температурных полей и напряженно-деформированного состояния конструкции в процессе ее создания 3D наплавкой проволочных материалов. Данная модель, в частности, учитывает нестационарный лучистый перенос тепловой энергии сварочной дуги на поверхность изделия. В обзоре выделены три наиболее часто используемых метода моделирования осаждения материала - так называемый рождающийся элемент (element birth), спящий элемент (quiet element) и гибридная активация (hybrid activation). Показано, что для обеспечения большей эффективности вычислений необходимо применять принцип, при котором следующие друг за другом шаги проплавки и даже слои группируются вместе для последующей одновременной активации. В представляемой модели задача разделена на краевую задачу нестационарной теплопроводности и краевую задачу термомеханики о напряженно-деформированном состоянии, которые являются несвязанными. Для их решения применяется технология «умерщвления» и последующего «возрождения» части материала, реализованная в пакете ANSYS. Проведена верификация разработанного численного алгоритма решения трехмерной задачи дуговой наплавки проволочных материалов сравнением с результатами натурных испытаний на образцах из алюминиевого сплава Д16. Для описания упругопластического поведения исследуемого сплава использована модель билинейной изотропной пластичности BISO с температурной зависимостью предела текучести. Показана хорошая согласованность расчетных данных с экспериментом. Исследовано влияние на уровень остаточного коробления параметров процесса: времени выдержки до следующего слоя; траектории движения слайсера; температуры окружающей среды. Показано, что последний параметр является наиболее эффективным способом снижения остаточных отклонений формы, но требует высокой термостойкости оборудования и точности регулирования энергии дуги.
Аддитивное производство, аддитивные технологии, наплавка, плавление проволоки, конечно-элементное моделирование, многовариантный анализ
Короткий адрес: https://sciup.org/146281930
IDR: 146281930 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2019.2.15
Studying of the influence of 3D wire deposition process parameters on the formation of residual deformations
Additive technologies make it possible to manufacture products using a layer-by-layer synthesis, thus obtaining products of complex shapes. When solving a complex problem of numerical modeling of additive technological processes, it is necessary to describe various thermomechanical phenomena with high accuracy. The most effective in this regard is the use of a combination of capabilities of specialized software systems and the development of unique algorithms for them, taking into account the maximum possible number of process parameters. The paper considers the calculation algorithm of non-stationary temperature fields and stress-strain state of the structure in the process of its creation by 3D welding of wire materials developed and implemented using the ANSYS Mechanical package in the APDL language. In particular, this model takes into account the non-stationary radiant transfer of thermal energy of the welding arc to the surface of the product. The review highlights three of the most commonly used methods for modeling material deposition, i.e. the so-called element birth, sleeping element (quiet element) and hybrid activation (hybrid activation). It is shown that in order to ensure greater efficiency of calculations, it is necessary to use the principle in which successive steps of melting and even layers are grouped together for a subsequent simultaneous activationn. In the presented model, the task is divided into the boundary problem of non-stationary thermal conductivity and the boundary problem of thermomechanics of the stress-strain state, which are uncoupled. To solve them we applied the technology of killing and the subsequent birthing of a part of the material, implemented with the ANSYS package. Verification of the developed numerical algorithm aimed at solving the three-dimensional problem of the arc surfacing of wire materials was carried out by a comparison with the results of the experimental tests on D16 aluminum alloy samples. To describe the elastoplastic behavior of the alloy, the BISO model of bilinear isotropic plasticity with a temperature dependence of yield strength was used. A good consistency of the calculated data with the experiment was shown. The effect was studied on the level of the residual distortion of such process parameters as exposure time to the next layer, the motion path of the slicer, ambient temperatures. It is shown that the latter parameter is the most effective way to reduce residual shape deviations, but requires high thermal stability of equipment and accuracy of arc energy control.
Список литературы Исследование влияния параметров процесса 3D-наплавки проволочных материалов на формирование остаточных деформаций
- Petrick I., Simpson T. 3D Printing disrupts manufacturing // Research-Technology Management. - November-December 2013. - P. 15-16.
- Wray P. Additive manufacturing: turning manufacturing inside out // Amer. Ceram. Soc. Bull. - 2014. - Vol. 93. - No. 3. - P. 17-23.
- Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) - Advantages of Wire AM vs. Powder AM // Sciake Inc., available at: http://additivemanufacturing.com/2015/10/14/electron-beam-additive-manufacturing-ebam-advantages-of-wire-am-vs-powder-am.
- Jhavar S., Jain N.K., Paul С.P. Development of micro-plasma transferred arc (p-PTA) wire deposition process for additive layer manufacturing applications // Journal of Materials Processing Technology. - 2014. - Vol. 214. - No. 5. - P. 1102-1110.
- Hybrid layered manufacturing using yungsten inert gas cladding / Sajan Kapil, Fisseha Legesse, Pravin Milind Kulkarni, Prathmesh Joshi, Ankit Desai, K.P. Karunakaran // Progress in Additive Manufacturing. - 2016. - Vol. 1. - No. 1. - P. 79-91. DOI: 10.1007/s40964-016-0005-8