La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, es un método para fabricar piezas típicamente mediante polvo o cordón usando un enfoque de capa por capa. El interés en los procesos de fabricación de aditivos basados en metales ha despegado en los últimos años. Los tres principales procesos de fabricación de aditivos metálicos actualmente en uso son la fusión con base de polvo (PBF), la deposición mediante energía directa (DED) y los procesos de inyección de aglomerante. FLOW-3D proporciona información de simulación única para cada uno de estos procesos.
En los procesos de fusión por base de polvo y de deposición por energía directa, se puede usar un láser o un haz de electrones como fuente de calor. En ambos casos, el metal, en forma de polvo para PBF y polvo o hilo para procesos DED, se derrite completamente y se fusiona para formar partes capa a capa. Sin embargo, en la inyección de aglutinante, se deposita selectivamente una resina que actúa como agente aglutinante sobre polvos metálicos para formar partes capa a capa. Estas partes se sinterizan para lograr una mejor densificación.
El algoritmo de seguimiento de superficie libre FLOW-3D y sus modelos físicos pueden simular cada uno de estos procesos con gran precisión. Los pasos en el modelado de los procesos de fusión de lecho de polvo de láser (L-PBF) se discuten en detalle aquí. También se muestran un par de simulaciones de prueba de concepto para el DED y los procesos de inyección de aglutinante.
PROCESOS DE FUSIÓN EN BASE DE POLVO
Los procesos L-PBF involucran fenómenos complejos de multifísica tales como flujo de fluidos, transferencia de calor, tensión superficial, cambio de fase y solidificación que influyen significativamente en el proceso y, en última instancia, en la calidad de la construcción. Los modelos físicos de FLOW-3D simulan los fenómenos del conjunto de fusión en la mesoescala al tener en cuenta la distribución del tamaño de partícula y las fracciones de relleno, al tiempo que resuelven las ecuaciones de masa, momento y energía.
Los módulos complementarios DEM y WELD de FLOW-3D se utilizan para simular el proceso completo de fusión de lecho de polvo. Las diversas etapas en un proceso L-PBF son la colocación de lecho de polvo, la fusión y solidificación del polvo y, posteriormente, la colocación de polvo nuevo sobre la capa previamente solidificada, y una vez más fundir y fusionar la nueva capa con la capa anterior. FLOW-3D se puede usar para simular cada una de estas etapas.
PROCESOS DE LAS CAPAS DE LA BASE DE POLVO
Usando el módulo DEM que está integrado con FLOW-3D, es posible simular el proceso de colocación de a base de polvo dejando caer una distribución aleatoria de partículas y dejándolas asentar, como se muestra en este vídeo.
Una forma de lograr diferentes compactaciones de la base de polvo es elegir diferentes distribuciones de tamaño de partícula para depositar. Como se ve a continuación, existen tres distribuciones de tamaño de partícula de diferentes tamaños, que dan como resultado diversos compactados de la base de polvo con el Caso 2 que proporciona el mayor compactado.
Las interacciones partícula-partícula, el acoplamiento de partículas líquidas y las interacciones de objetos en movimiento de partículas también se pueden analizar en detalle con el módulo DEM. Además, también es posible especificar una fuerza entre partículas para estudiar las aplicaciones de dispersión de polvo con más precisión.
Esta simulación FLOW-3D utiliza el método de elementos discretos (DEM) para estudiar la dispersión del polvo debido a un rodillo cilíndrico que gira en sentido contrario.
Al comienzo del vídeo, el depósito de polvo se desplaza hacia abajo, mientras que la plataforma de construcción se mueve hacia arriba. Inmediatamente después, el rodillo extiende las partículas de polvo, que están codificadas por colores de acuerdo con su ubicación inicial, a la plataforma de construcción, en preparación para la siguiente capa que se fundirá y construirá. Dichas simulaciones pueden proporcionar información adicional sobre los tamaños preferidos de partículas de polvo que se transfieren del depósito a la plataforma de construcción
FUSIÓN DE LA BASE DE POLVO
Después de colocar el estrato de polvo, los parámetros del proceso del rayo láser se pueden especificar en FLOW-3D WELD para realizar simulaciones de piscinas de fusión de alta fidelidad.
Los gráficos de temperatura, velocidad, fracción sólida, gradientes de temperatura y velocidad de sólidos se pueden analizar en detalle.
El análisis de fusión de la base de polvo fundido bajo una potencia de salida láser de 200W, velocidad de escaneo de 3.0m / sy un radio de punto de 100μm.
Una vez que el grupo de fusión se ha solidificado, los datos de presión y temperatura FLOW-3D también se pueden importar a una herramienta FEA como Abaqus o MSC Nastran para analizar los contornos de tensión y los perfiles de desplazamiento.
FABRICACIÓN ADITIVA MULTICAPA
Cuando la primera capa fundida se ha solidificado, se deposita una segunda capa de partículas sobre la base solidificada. Las simulaciones de fusión se realizan de nuevo especificando los parámetros del proceso láser en la nueva capa de partículas de polvo. Este proceso puede repetirse varias veces para evaluar la fusión entre las capas solidificadas consecutivamente, los gradientes de temperatura dentro de la construcción y al mismo tiempo monitorear la formación de porosidad u otros defectos.
BINDER JETTING
Las simulaciones de inyección de aglutinante proporcionan información sobre la dispersión y penetración del aglutinante en la base de polvo, que están influenciadas por las fuerzas capilares. Los parámetros del proceso y las propiedades del material influyen directamente en el proceso de deposición y dispersión.
SEDIMENTACIÓN DE ENERGÍA DIRECTA
Usando el modelo de partículas incorporado de FLOW-3D, también se pueden simular procesos de deposición de energía directa. Al especificar la velocidad de inyección del polvo y el flujo de calor que incide sobre el sustrato sólido, las partículas sólidas pueden agregar masa, momento y energía en el conjunto de fusión. En el siguiente video, se inyectan partículas de metal sólido en el conjunto fundido y se observa la posterior solidificación del grupo fundido sobre el sustrato.