فرآیندهای تولید افزایشی (AM) شامل ساخت قطعات نهایی با استفاده از انرژی حرارتی برای ترکیب مواد اولیه صورت لایه به لایه است (مثل پرینت سه بعدی). در حالی که این روش هندسه های داخلی پیچیده تری نسبت به فرآیندهای سنتی مانند ریخته گری، قالب گیری یا ماشین کاری می دهد، اما می تواند تنش های پسماند را در نتیجه ی گرمایش و سرمایش ناهمگن در قطعات ایجاد کند.
این به نوبه خود می تواند خواص مکانیکی قطعات پرینت سه بعدی را پایین بیاورد کند و همچنین بر سرعت چاپ – به دلیل نیاز به در نظر گرفتن تغییرات دما در سراسر قطعه – و کاهش کیفیت سطح و دقت ابعاد تأثیر می گذارد.
همچنین بخوانید : پرینت سه بعدی فلز یا ماشین کاری CNC؟
به همین دلیل است که برای مهندسان بسیار مهم است که تابع حرارتی یک قطعه را هنگام تولید افزایشی درک کنند، زیرا ریزساختار، خواص مکانیکی و ابعاد نهایی آن را تعیین می کند. شبیه سازی های حرارتی می‌توانند به بهینه‌سازی این شاخص‌های کلیدی کمک کنند.
شبیه سازی حرارتی برای تولید افزایشی شامل چه چیزی است؟
متغیرهای مربوطه عبارتند از:
- قدرت لیزر
- قطر نقطه لیزر
- افست لیزری
- سرعت سر اسکنر
- ضخامت لایه
در این زمینه، تابع دمای یک قطعه بر ابعاد حوضچه مذاب ، شرایط انجماد، چرخه‌های ذوب مجدد و تنش پسماند تأثیر می‌گذارد. چیزی که شبیه‌سازی AM را چالش‌برانگیزتر می‌کند این واقعیت است که نیاز به تجزیه و تحلیل تغییرات دما در مقیاس‌های زمانی زیر نانوثانیه دارد، که مرتبه‌ای کوتاه‌تر از کل مدت زمان ساخت هستند. به همین دلیل، شبیه‌سازی حرارتی ممکن است ساعت‌ها یا حتی روزها طول بکشد.
تاثیر نوع ماده مورد استفاده
نوع موادی که به صورت سه بعدی چاپ می شوند بیشترین تأثیر را بر شبیه سازی حرارتی خواهند داشت.
برای فلزات مورد استفاده ، رسانایی حرارتی بالای آنها باعث اتلاف سریع گرما می شود که می تواند منجر به گرادیان های حرارتی در سراسر قطعه شود و باعث ایجاد تنش پسماند شود که می تواند منجر به تاب برداشتن یا اعوجاج شود.
فلزات همچنین در طول سرد شدن تحت تغییرات فاز حالت جامد مانند تبدیل مارتنزیتی در فولاد ضد زنگ قرار می گیرند. فراتر از این ملاحظات کلی، ملاحظات خاص آلیاژ نیز برای شبیه سازی حرارتی فلز AM وجود دارد: به عنوان مثال، آلیاژهای تیتانیوم بسیار واکنش پذیر هستند و به راحتی اکسید می شوند و بنابراین به اتمسفر کنترل شده نیاز دارند در حالی که آلومینیوم بیشتر مستعد ترک خوردگی انجماد است.
در مقابل، پلیمرهای مورد استفاده در تف جوشی لیزری انتخابی (SLS) رسانایی حرارتی پایینی از خود نشان می‌دهند که منجر به سرعت خنک‌تر شدن کندتر و تمایل بیشتری برای تنش‌های حرارتی پسماند یا تاب برداشتن می‌شود. این امر به ویژه در پلیمرهای نیمه کریستالی مانند نایلون مشکل ساز است که در آنها خنک شدن کندتر می تواند منجر به تشکیل کریستال هایی شود که بر استحکام مکانیکی تأثیر می گذارد.
مواد پلیمری همچنین به دلیل گرمای بیش از حد در معرض تخریب حرارتی هستند که می تواند باعث شکنندگی یا خارج شدن از گاز شود. در نهایت، شبیه‌سازی‌های مربوط به پرینت سه‌بعدی با گرماسخت‌ها (برخلاف ترموپلاستیک‌ها) باید اثرات فرآیند پخت را نیز در نظر بگیرند.
روش های شبیه سازی
شبیه‌سازی‌های حرارتی به دلیل پیچیدگی مدل ها، اغلب از روش‌های عددی استفاده می‌کنند ، برای مثال، استفاده از تحلیل اجزا محدود برای انتقال حرارت در طول رسوب فلز.
با این حال، سرعت بسیاری از فرآیندهای چاپ سه‌بعدی، همراه با پیچیدگی ها، هزینه‌های محاسباتی مدل‌سازی عددی برای AM را بالا می‌برد، به‌ویژه زمانی که تلاش می‌شود کل تابع دمای یک قطعه را شبیه‌سازی کند. به همین دلیل، FEA اغلب از نظر محاسباتی بسیار پیچیده و زمان بر است برای اینکه در طول تولید مفید باشد. مدل‌های مرتبه کاهش‌یافته (ROM) و تکنیک‌های ترکیبی که روش اجزای محدود (FEM) را با روش‌های دیگر ترکیب می‌کنند، برای رسیدگی به این مسئله در حال ظهور هستند که هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند.
همچنین بخوانید : پروسه پرینت سه بعدی ؛ نکاتی برای کاربران سالیدورک
در نهایت، شبیه سازی تولید افزایشی را می توان به عنوان یک مسئله چند مقیاسی در زمان و مکان درک کرد. از این منظر، مهندسان می‌توانند مقیاس یک شبیه‌سازی را با انتخاب اندازه‌های مش کنترل کنند.
شبیه‌سازی‌هایی با توالی زمانی کوچک و مش‌های ریز دارای دقت بالا هستند، در مقابل شبیه‌سازی‌هایی با توالی زمانی متوسط و مش‌های درشت‌تر، که دارای دقت پایین‌تر هستند. در مورد اول، شبیه‌سازی‌ها برای ثبت دماهای به سرعت در حال تغییر و گرادیان‌های دمای بالا که در داخل و نزدیک مناطقی که ذوب یا همجوشی فعال رخ می‌دهد، در نظر گرفته شده است.
همچنین بخوانید : شبیه سازی و چگونگی کمک آن به ساخت افزایشی فلزات
در حالت دوم، نتایج دما معمولاً حاوی تابع حرارتی دقیقی نیستند، اگرچه تجزیه و تحلیل انتقال حرارت همچنان می‌تواند تغییرات دور از مناطق فعال را ثبت کند، تا زمانی که تعادل انرژی حرارتی گرمایش و سرمایش فرآیندی به درستی مدل‌سازی شده باشد.
پیش بینی تابع حرارتی در فرآیندهای AM پیچیده است و نیاز به در نظر گرفتن منابع گرمای متحرک، تغییرات فاز و پدیده‌های مختلف جرم و انتقال حرارت دارد. با این حال، زمانی که شبیه‌سازی‌های حرارتی به درستی انجام شوند، می‌توانند مهندسان طراح و سازنده را قادر سازند تا تغییراتی در طراحی ایجاد کنند تا از خنک‌سازی همگن‌تر اطمینان حاصل کنند، پشتیبانی‌هایی را برای به حداقل رساندن اعوجاج‌ها یا تغییر پارامترهای فرآیند برای کاهش خطا معرفی کنند.