Численное и экспериментальное исследование деформированного состояния деталей, изготовленных методом SLM

О проекте

  • Численное и экспериментальное исследование деформированного состояния деталей, изготовленных методом SLM
  • АО «Центр аддитивных технологий»
  • Материалы и технологии
  • 2016 год

Численное и экспериментальное исследование деформированного состояния деталей, изготовленных методом SLM

Аддитивные технологии сегодня – одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства. Они входят в перечень технологий 6-го технологического уклада, а также в список ключевых направлений технологического развития, содержащихся в стратегии инновационного развития экономики России. Существует множество технологий, которые можно назвать аддитивными, объединяет их одно: построение модели происходит путем добавления материала (от англ. аdd – «добавлять») в соответствии с конфигурацией 3D-модели, в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления «лишнего» материала.

Двигателестроение является той отраслью, где аддитивные технологии находят все новые и новые применения. Это обусловлено несколькими факторами:

  • Снижение массы конечного изделия, ввиду увеличения материалоёмкости заготовок за счет повышения функциональности размещения материала или снижения количества деталей. Снижение массы двигательной установки существенно повышает эксплуатационные характеристики летательного аппарата.
  • Снижение затрат на производство. Элементы ГТД и ЖРД имеют сложную геометрию, для их изготовления требуется дорогостоящая оснастка и большое количество ручного труда. Весьма существенный выигрыш можно получить на стадии ОКР за счет уменьшения сроков изготовления опытных образцов и уменьшения времени простоя конструкторского подразделения.

Немаловажным является возможность получения сверхсуммарного эффекта, когда изготовление конструкций, полученных только аддитивными технологиями (АТ), приводит к такому увеличению удельных параметров изделия, которые перекрывают затраты на стоимость изготовления.

АО «Центр аддитивных технологий» – одна из компаний, ведущих деятельность в данной сфере. Данное акционерное общество создано на базе холдинговых корпораций авиационного комплекса ГК «Ростех» в 2018 году как единый интегратор в области аддитивных технологий. Компания располагает крупнейшим в России парком промышленного оборудования (3D-принтеры, измерительные машины, механообрабатывающее и лабораторное оборудование) для аддитивного производства и профессиональной командой технических специалистов с богатым опытом в области применения новейших технологий. Стратегией компании предусмотрено оказание всего цикла услуг – от реинжиниринга конструкций до серийного производства полного цикла.

По заказу АО «Центр аддитивных технологий» специалистами компании «МЦД» было проведено численно-экспериментальное исследование деформированного состояния образцов из жаропрочного никелевого сплава, изготовленных методом селективного лазерного спекания (SLM), с использованием возможностей программного обеспечения Ansys Workbench Additive и данных 3D-сканирования. Оценка перемещений осуществлялась как на платформе построения после выращивания, так и после отделения от неё.

Для производства экспериментальных исследуемых образцов использовалась установка SLM 280HL, работающая по технологии селективного лазерного плавления (SLM) металлопорошковых композиций. Данный промышленный принтер применяется для создания объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и внутренними полостями.

Технология печати SLM подразумевает под собой разделение модели детали в программном обеспечении на множество слоев, формирование слоев на подложке и сплавление каждого слоя источником лазерного излучения в инертной или нейтральной газовой среде. В качестве защитных газов используется аргон или азот высокой степени чистоты.

Измерение экспериментальных исследуемых образцов осуществлялось с использованием промышленного сканера BREUCKHMAN SMARTSCAN 3D с предельным разрешением 6 мкм.

В качестве основного материала для построения образцов использовался жаропрочный никелевый сплав 08ХН53БМТЮ, российский аналог Inconel 718. Он обладает высокой стойкостью к коррозии, высокой прочностью, достаточной свариваемостью, высокой динамической способностью выдерживать температурные нагрузки до 700 оС. Области его применения – атомная промышленность, двигателестроение (в двигателях, турбинах, реакторах), космонавтика, ядерная энергетика, инструменты.

Методы и средства численного моделирования 3D-печати

В основе методики моделирования процесса 3D-печати в Ansys Additive лежит метод конечных элементов. Модуль Ansys Additive соединяет в себе точный и проверенный десятилетиями решатель в области механики деформируемого твёрдого тела и теплопередачи, со специализированной базой материалов для аддитивной печати, специализированными экспертными системами, начальными и граничными условиями и другими настройками, направленными на точное моделирование процесса SLM.

При моделировании 3D-печати металлом необходимо тем или иным образом решить проблему пространственно-временных масштабов взаимодействия лазерного излучения с материалом. Так, например, размеры «пятна» лазерного луча на поверхности детали имеют нанометровый порядок, в то время как размеры изготавливаемых конструкций измеряются в сантиметрах и десятках сантиметров (проблема пространственных масштабов). Аналогичная ситуация и с временным масштабом: нанесение одного слоя занимает доли секунды, тогда как весь процесс печати занимает часы (проблема временных масштабов). Поэтому методика расчёта предполагает использование подробной модели, учитывающей реальную траекторию движения лазера и рассчитываемой в постановке с подвижным источником тепла, лишь для небольших фрагментов конструкции. А для моделирования выращивания изделия целиком применяется так называемый «метод объединённого слоя». Суть его состоит в том, что по толщине одного конечного-элемента располагаются сразу несколько физических слоёв порошка.

Идеализация физических слоёв материала конечными элементами
Рисунок 1. Идеализация физических слоёв материала конечными элементами

Такой подход позволяет, экономно расходуя вычислительные ресурсы, получить напряжённо-деформированное состояние изделия в целом и оценить искажение его формы. Реализация метода включает в себя использование встроенной в Ansys технологии «рождения и смерти» элементов. В контексте моделирования аддитивного процесса «включение» элементов осуществляется послойно. При этом «атрибут существования» элементов, а также граничные условия (например, конвекции) обновляются на каждой итерации расчёта.

Используемая в расчётах модель материала соответствует сплаву Inconel 718 и взята из библиотеки аддитивных материалов Ansys. Данная модель включает в себя характеристики упругости и пластичности, теплофизические свойства, а также их температурные зависимости.

Сравнение данных 3D-сканирования с результатами расчёта

Для оценки возможностей Ansys для моделирования процессов аддитивной печати было решено 3 тестовые задачи: моделирование пятиопорной, консольной и биконсольной балки.

Пятиопорная балка

В рамках поставленной задачи требовалось найти искажения контрольной кромки детали в направлении оси X и сравнить результаты моделирования с данными измерений.
Для предотвращения дефектов печати между «пролётами» балки, в фактическую геометрию образца, отправленную на 3D-принтер, были добавлены поддержки, влиянием которых на прогибы контрольной оси можно пренебречь.
Здесь и далее между образцом и платформой построения задавался неразрывный контакт.
Моделирование включало в себя этапы выращивания и охлаждения. Рассчитаны суммарные перемещения образца. На основе данных 3D-сканирования построена карта отклонений геометрии образца от номинальной. Выполнено сравнение перемещений контрольной оси в расчёте и эксперименте.

Конечно-элементная модель пятиопорной балки
Рисунок 2. Конечно-элементная модель пятиопорной балки

Консольная балка

В рамках поставленной задачи требовалось найти искажения контрольной кромки детали в направлении оси Z после удаления поддержек и сравнить результаты моделирования с данными измерений.

Моделирование включало в себя этапы выращивания и охлаждения, а также этап отделения образца от платформы. Рассчитаны суммарные перемещения образца. На основе данных 3D-сканирования построена карта отклонений геометрии образца от номинальной. Выполнено сравнение перемещений контрольной оси в расчёте и эксперименте.

Консольная балка на платформе построения
Рисунок 3. Консольная балка на платформе построения

Биконсольная балка

В рамках поставленной задачи требовалось найти искажения контрольной кромки детали в направлении оси Z после удаления поддержек и сравнить результаты моделирования с данными измерений.

Моделирование включало в себя этапы выращивания и охлаждения, а также этап отделения образца от платформы. Рассчитаны суммарные перемещения образца. На основе данных 3D-сканирования построена карта отклонений геометрии образца от номинальной. Выполнено сравнение перемещений контрольной оси в расчёте и эксперименте.

Карта отклонений геометрии образца от номинальной, мм
Рисунок 4. Карта отклонений геометрии образца от номинальной, мм

В результате исследования было установлено, что подход Ansys Additive к расчёту деформированного состояния изделий, изготовленных по технологии SLM, обеспечивает достаточную для практических приложений точность. Количественное соответствие данных конечно-элементного анализа и эксперимента позволяет использовать компьютерные модели, построенные в Ansys Additive, не только для прогнозирования искажения формы деталей, но и для модификации их геометрических моделей с целью компенсации коробления после печати.

Сопоставление экспериментальных и расчётных данных перемещений контрольных точек образцов показало достаточную для практических целей точность расчетной модели, построенной на базе технологий компьютерного моделирования Ansys Additive.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00