621.7, 004.9 Численное моделирование нестационарного теплопереноса в процессе 3D-печати по технологии SLM в одномерной постановке
Кишов Е. А. (СГАУ им. Королева), Золотов Д. В. (СГАУ им. Королева), Коваль И. Ю. (СГАУ им. Королева)
УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ПРОЦЕСС, ПОСЛОЙНОЕ ДОБАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА, 3D-ПЕЧАТЬ, МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ANSYS, MATLAB
doi: 10.18698/2309-3684-2024-4-1930
Предложена одномерная математическая модель нестационарного процесса теплопереноса в процессе 3D-печати технологии SLM. Особенность модели – учёт послойного добавления материала в расчётную область с течением времени. Модель реализована в собственном программном обеспечении, использующем метод конечных элементов. Добавление материала учитывается алгоритмом активации/деактивации элементов. Решена тестовая задача по определению температурного поля при выращивании детали, геометрия которой идеализируется стержнем переменного сечения. Для оценки достоверности результатов проведены аналогичные расчёты в сторонних программных продуктах: в Ansys – в полной трёхмерной постановке – и в Matlab – решено одномерное уравнение теплопроводности для стержня изменяющейся во времени длины и переменной площади сечения. Сравнение поля температур показывает, что результаты расчётов в разработанном программном обеспечении соответствуют сторонним решениям при обеспечении высокой вычислительной эффективности.
[1] Ökten K., Biyikoğlu A. Development of thermal model for the determination of SLM process parameters. Optics & Laser Technology, Vol. 137, 2021. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106825.
[2] Papazoglou, E.L., Karkalos, N.E., Markopoulos, A.P. A comprehensive study on thermal modeling of SLM process under conduction mode using FEM. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 111, 2020, pp. 2939–2955, https://doi.org/10.1007/s00170-020-06294-7.
[3] Trejos, J.D., Reyes, L.A., Garza, C., Zambrano, P. and Lopez-Botello, O. Numerical modeling of thermal anisotropy on a selective laser melting process. Rapid Prototyping Journal, Vol. 26, 2020, No. 9, pp. 1555-1567. https://doi.org/10.1108/RPJ-02-2020-0032.
[4] Luo, Z., Zhao, Y. Numerical simulation of part-level temperature fields during selective laser melting of stainless steel 316L. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 104, 2019, pp. 1615–1635, https://doi.org/10.1007/s00170-019-03947-0.
[5] Yang, Y., van Keulen, F., Ayas, C. A computationally efficient thermal model for selective laser melting. Additive Manufacturing, Vol. 31, 2020, https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100955.
[6] Foteinopoulos P., Papacharalampopoulos A., Stavropoulos, P. On thermal modeling of Additive Manufacturing processes. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Vol. 20, 2018, pp. 66-83, https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2017.09.007
[7] https://www.ansys.com/products/additive
[8] https://hexagon.com/products/simufact-additive
[9] Димитриенко, Ю.И. Механика сплошной среды. В 4 т. Т. 2. Универсальные законы механики и электродинамики сплошной среды. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 560 с.
[10] Jeronen J., Tuovinen T., Kurki M. One-Dimensional Thermomechanical Model for Additive Manufacturing Using Laser-Based Powder Bed Fusion. Vol. 10. Iss. 6. 2022. https://doi.org/10.3390/computation10060083.
[11] https://www.mathworks.com/help/matlab/ref/pdepe.html
[12] https://www.mm.bme.hu/~gyebro/files/ans_help_v182/ans_thry/thy_heat2.html
[13] Zienkiewicz O.C., Parekh C.J. Transient field problems: Two-dimensional and three-dimensional analysis by isoparametric finite elements. The International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2(1), 1970, pp. 61-71. https://doi.org/10.1002/nme.1620020107.
[14] Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. Москва, Мир, 1981, 304 с.
[15] https://gitlab.com/libeigen/eigen.
Кишов Е.А., Золотов Д.В., Коваль И.Ю. Численное моделирование нестационарного теплопереноса в процессе 3D-печати по технологии SLM в одномерной постановке. Математическое моделирование и численные методы, 2024, № 4, с. 19–30.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), номер проекта 23-79-01213.
Скачать статью
Количество скачиваний: 11