I. Bevezetés
Az LB-PBF eljárás egy porágyon alapuló fém 3D nyomtatási technológia. A nyomtatási folyamat során lézersugarat sugároznak be egy fémporágyra, aminek következtében a por megolvad, és egy előre megtervezett alkatrészformába olvad. A többi 3D nyomtatási technológiához képest az LB-PBF eljárás előnye a magas anyagfelhasználás és a nagy nyomtatási sebesség, de olyan kihívásokkal is szembesül, mint az olvadékmedencék viselkedésének szabályozása, a hőfeszültség-eloszlás és a mikrostruktúra evolúciója. Az AlSi10Mg általánosan használt öntött alumíniumötvözetként kiváló fizikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, amely alkalmas vékony falú és összetett geometriai kialakítású alkatrészek gyártására. Az LB-PBF eljárást az AlSi10Mg vékonyfalú szerkezet 3D-nyomtatására használják, amely teljes mértékben kihasználja ennek az anyagnak az előnyeit, és javítja az alkatrész teljesítményét és gyártási hatékonyságát.
2. Numerikus szimulációs módszerek
Ebben a cikkben numerikus szimulációs módszert alkalmazunk AlSi10Mg vékonyfalú szerkezetek LB-PBF eljárással történő 3D nyomtatásának teljesítményének tanulmányozására. Matematikai modellt állítottak fel a nyomtatási folyamatban részt vevő olvadékmedence képződésének, az olvadt fém áramlásának és a hővezetésnek a numerikus szimulálására. A modell megoldásához végeselemes módszert alkalmaztunk, és figyelembe vettük az anyagok fizikai paramétereit, termofizikai paramétereit és lézerbesugárzási paramétereit. Numerikus szimulációval meghatározható az olvadékmedence alakja, a hőmérsékleti tér eloszlása, valamint a vékonyfalú szerkezet geometriája és méretpontossága a nyomtatási folyamat minden pillanatában.
3. Numerikus szimulációs eredmények és elemzések
Numerikus szimulációval a következő eredményeket kapjuk:
(1) Olvadékmedence kialakulása: Lézeres besugárzás hatására a fémpor gyorsan megolvad, és olvadt medencét képez. A lézeres pásztázási sebesség növekedésével az olvadékmedence mérete és hőmérséklete csökken. Ennek oka elsősorban a porra egységnyi idő alatt besugárzott lézerenergia mennyiségének csökkenése a pásztázási sebesség növekedésével, ami az olvadékmedence hőmérsékletének csökkenését eredményezi.
(2) Olvadt fém áramlása: A lézer hatására az olvadt fém olyan áramlást hoz létre, amely az olvadt medencében lévő folyékony fémet a lézeres letapogatás irányába mozgatja. Minél gyorsabb a pásztázás, annál intenzívebben áramlik a fém. Ennek oka elsősorban az olvadt medencében lévő folyékony fémre ható megnövekedett tehetetlenségi erő a pásztázási sebesség növekedésével, ami megnövekedett fémáramlást eredményez.
(3) Hővezetés: A hővezetés fontos fizikai folyamat a nyomtatási folyamat során. A hővezetés révén a hő az olvadt medencéből a környezetbe terjed, ami a környező terület hőmérsékletének növekedését eredményezi. A numerikus szimulációs eredmények azt mutatják, hogy a hővezetés hatása gyengül a pásztázási sebesség növekedésével. Ez elsősorban annak tudható be, hogy a pásztázási sebesség növekedésével az olvadékmedencében felgyorsul a hőveszteség, ami a hővezetés gyengülését eredményezi.
(4) Vékonyfalú szerkezetek teljesítménye: A vékonyfalú szerkezetek geometriáját és méretpontosságát különböző letapogatási sebességeknél numerikus szimulációval kapjuk meg. Az eredmények azt mutatják, hogy a pásztázási sebesség növekedésével a vékonyfalú szerkezet mérethibája nő, míg az alakhibája csökken. Ez főként a folyékony fém megnövekedett áramlásának köszönhető az olvadt medencében a pásztázási sebesség növekedésével, ami azt eredményezi, hogy a vékonyfalú szerkezet alakja közelebb kerül az előre beállított alakhoz.
4. Konklúziók
Ebben a cikkben AlSi10Mg vékonyfalú szerkezetek 3D nyomtatásának numerikus szimulációját tanulmányoztuk LB-PBF eljárással. A matematikai modell felállításával, az olvadékképződés, az olvadt fém áramlásának, a hővezetési és egyéb, a nyomtatási folyamatban részt vevő folyamatok numerikus szimulációjával, valamint a nyomtatási paraméterek vékonyfalú szerkezetek teljesítményére gyakorolt hatásának elemzésével az eredmények azt mutatják, hogy a szkennelés a sebesség befolyásolja az olvadt medencék kialakulását, az olvadt fém áramlását, az olvadt fém áramlását, a hővezetés és a vékonyfalú szerkezet teljesítménye fontos hatással van, a gyakorlati alkalmazásokban a nyomtatási folyamat optimalizálható és a vékonyfalú szerkezetek teljesítménye a szkennelési sebesség és egyéb paraméterek beállításával javítható, és ez a kutatás elméleti alapot és technikai útmutatást ad az AlSi10Mg vékonyfalú szerkezetek 3D nyomtatásának további optimalizálásához LB-PBF eljárással
