ساخت افزایشی فلزی (AM) معمولاً شامل قطعات بسیار پیچیدهای است که از مواد با هزینه بالا ساخته میشوند. بیش از صد پارامتر بر کیفیت فرآیند و ساخت تأثیر میگذارد. به همین دلایل، فرآیند آزمون و خطا برای تولید های آزمایشی معمولاً زمان بر و پرهزینه است. خوشبختانه، شبیه سازی مهندسی میتواند به اطمینان از موفقیت کارهای پرینت سه بعدی فلز با سرعت بیشتر و با هزینه کمتر کمک کند.خواندن این مقاله به درک چگونگی کمک شبیه سازی به پرینت سه بعدی فلزات می انجامد.
همچنین بخوانید : مبانی تولید افزایشی
چه نوعی از ساخت افزایشی فلزی قابل شبیهسازی است؟
فرآیندهای ساخت افزایشی فلز را میتوان بر اساس منبع انرژی و شکل ماده به سه دسته زیر تقسیم کرد:
- چاپ جت چسبی: که از یک عامل چسبنده مایع بر روی پودر های فلزی استفاده میکند.
- ذوب بستر پودری: که از لیزرها یا پرتوهای الکترونی بر روی پودرهای فلزی استفاده میکند.
- رسوب انرژی هدایتشده: که از لیزرها یا پرتوهای الکترونی بر روی پودرهای فلزی یا سیم استفاده میکند.
از این سه دسته، بیشتر نرمافزارهای شبیهسازی توسعه یافته بر روی ذوب بستر پودری (PBF) و رسوب انرژی هدایتشده (DED) متمرکز شدهاند. این بدان معنا نیست که گزینههای نرمافزاری برای سایر فرآیندها وجود ندارد؛ به عنوان مثال، نرمافزار Simufact Additive و Live Sinter هر دو قابلیت شبیه سازی چاپ جت چسبی فلزی را دارند. اما تنوع گزینه ها در شبیه سازی ذوب بستر پودری و رسوب انرژی هدایت شده به مراتب بیشتر تر است.
شبیه سازی چگونه به ساخت افزایشی فلزی کمک میکند؟
همانطور که در بالا اشاره شد، شبیهسازی هم زمان و هم هزینه چاپ قطعات فلزی سهبعدی را کاهش میدهد. بهطور خاص، نرمافزارهای شبیهسازی میتوانند نقاط داغ و کمبود ذوب را پیشبینی کنند که هر دو به کاهش استحکام مواد قطعات چاپ شده سه بعدی منجر میشوند. شبیه سازی همچنین میتواند برای بهبود فرآیند پرینت سه بعدی فلز استفاده شود؛ بهویژه در مورد ذوب بستر پودری، با شناسایی و اصلاح تداخل دستگاه پوشش دهنده که زمانی رخ میدهد که قطعات از ارتفاع لایه فراتر میروند یا به زیرلایه نمیچسبند.
در نهایت، و شاید مهمتر از همه، شبیه سازی میتواند پیش بینی کند که ساختارهای پشتیبان دچار شکست میشوند. همچنین به مهندسان کمک کند تا بفهمند چگونه و کجا باید جایگذاری ساختارهای پشتیبان را تنظیم کنند تا از موفقیت چاپ ها اطمینان حاصل شود.
همچنین بخوانید : شبیه سازی هیبریدی در مهندسی معکوس
زمینههای تمرکز برای شبیه سازی ساخت افزایشی فلزی چیست؟
ساخت افزایشی فلزی شامل پدیده های فیزیکی پیچیدهای است که در مقیاسهای زمانی و طولی متعدد رخ میدهند.به همین دلیل شبیه سازی های مربوط به ساخت افزایشی فلزی معمولاً نسبت به سایر فرآیندهای تولید محدودتر هستند. بهطور معمول، یک شبیهسازی از یک فرآیند ساخت افزایشی فلزی بر روی یکی یا حداکثر دو مورد از موارد زیر تمرکز خواهد کرد:
- تکامل ریزساختار
- رفتار حوضچه ذوب
- تنشهای باقیمانده
- گسترش ترک
در سالهای اخیر، معمولاً شبیه سازی های مدلهای ساخت افزایشی فلزی برای این زمینه های تمرکز بر اساس مقیاس عملیاتی آنها طبقهبندی میشوند: ماکرو، مزو و میکرو. روش المان محدود (FEM) رویکرد استاندارد برای تحلیل تنشهای باقی مانده و تغییر شکل های مکانیکی در مقیاس ماکرو است، اگرچه روش حجم محدود (FVM) در سالهای اخیر استفاده بیشتری پیدا کرده است. در مقیاس مزو، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، هیدرودینامیک ذرات نرم (SPH) و روش بولتزمان شبکهای (LBM) برای تحلیل جریان سیال در حوضچه ذوب استفاده میشوند. و در مقیاس میکرو، اتوماتای سلولی (CA)، مونت کارلو و مدلهای میدان فازی (PF) برای تحلیل دانهها، هستهزایی و فضاهای خالی مفید هستند.
همچنین بخوانید : انواع شبیه سازی های پرکاربرد در مهندسی
محدودیتهای شبیه سازی برای ساخت افزایشی فلزی چیست؟
به دلیل تعداد پارامترها و فیزیک پیچیده چند مقیاسهای که در ساخت افزایشی فلزی وجود دارد بالاست. به همین دلیل شبیه سازی یک قطعه کامل در طول فرآیند چاپ معمولاً از نظر محاسباتی ممکن نیست.
شبیهسازیهای اولیه ساخت افزایشی فلزی شامل مدل های حرارتی مبتنی بر FEM بودند. این مدلها مشابه مدلهای حرارتی در مکانیک جوشکاری محاسباتی هستند. جایی که تعاملات لیزر/ماده با یک جریان حرارتی متحرک یا منبع حرارتی حجمی با پروفیل گاوسی صفحهای شبیه سازی میشوند.
اینها به عنوان یک تقریب اولیه مفید هستند، بهویژه از آنجا که از نظر محاسباتی کمهزینهاند، اما همچنین فرضیات کلی درباره فرآیند تولید افزودنی فلزی دارند زیرا دینامیک سیالات را در نظر نمیگیرند. در نتیجه، این مدلها معمولاً دمای حوضچه ذوب را بیش از حد برآورد میکنند زیرا انتقال حرارت جابهجایی ناشی از دینامیک سیالات را نادیده میگیرند.
در سالهای اخیر، نزدیکترین پژوهشگران مهندسی و علم مواد به شبیهسازیهای کامل قطعات AM، ترکیب شبیهسازیهای CFD حوضچه ذوب با مدلهای مکانیکی جامد بعدی است که ورودی حرارتی از مدل CFD را میگیرد. با این حال، این هنوز هم از نظر محاسباتی پرهزینه است و بنابراین فقط در سطح مقیاس مزو با یک یا دو مسیر انجام شده است.