УДК 621.9.048

Необходимость исследования напряженно-деформированного состояния деталей при прямом лазерном выращивании

Хрусталев Никита Сергеевич – магистрант Уфимского университета науки и технологий

Аннотация: Статья посвящена необходимости исследования напряженно – деформированного состояния деталей при прямом лазерном выращивании (ПЛВ), которое позволяет изготавливать сложные металлические детали без использования форм и пресс – форм. Однако, при использовании этой технологии возникают остаточные напряжения и деформации в конструкциях, которые могут негативно повлиять на геометрию и прочность детали. В статье рассматриваются причины образования внутренних остаточных напряжений и деформаций, а также использование метода конечных элементов для моделирования напряженно-деформированного состояния деталей с помощью использования программного пакета Ansys. Результаты исследования могут быть использованы для оптимизации технологии ПЛВ.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, прямое лазерное выращивание, численное моделирование, качество изготавливаемых изделий, метод конечных элементов.

 В современном мире все больше внимания уделяется технологии прямого лазерного выращивания, которая позволяет изготавливать сложные детали из металлических порошков без использования форм и пресс-форм. Однако, при использовании этой технологии возникает проблема контроля напряженно-деформированного состояния полученных конструкций.

Из-за быстрого затвердевания расплавленных порошков в процессах аддитивного производства металлов и высокого термического градиента в конструкции создаются большие остаточные напряжения. Остаточные напряжения, величина которых может превышать предел текучести материала, влияют на коррозионную стойкость, характер роста трещин и усталостные характеристики. Кроме того, остаточные напряжения являются причиной выраженных деформаций особенно для тонкостенных элементов. Поэтому экспериментальное измерение остаточных напряжений и деформаций является необходимым требованием для изготавливаемой детали. В связи с тем, что большое количество переменных величин влияет на процесс аддитивного производства, экспериментальное измерение остаточных напряжений и деформаций достаточно затратно по времени и стоимости. Численные термомеханические модели могут быть использованы для их оценки, но качество расчетов критически зависит от точности расчета температурного поля, влияющего как на остаточные напряжения, так и на деформацию.

Существует несколько причин образования внутренних остаточных напряжений в деталях и конструкциях, получаемых методом прямого лазерного выращивания:

1. Локальный неравномерный нагрев металла
2. Неравномерные структурные превращения в металле.
3. Литейная усадка наплавленного металла.

Аддитивное производство определяется как процесс объединения материалов для создания объектов из 3D-модели, обычно слой за слоем. С помощью аддитивного производства можно изготавливать детали сложной геометрии с минимальной потребностью в постобработке из различных материалов (в том числе металла и пластмассы) с почти нулевыми отходами. Уменьшение материалозатрат – одно из главных преимуществ процесса аддитивного производства по сравнению с субтрактивным производством. В процессе аддитивного производства данные передаются на производственную машину, которая в итоге превращает инженерный проект в деталь, выращенную на установке.

В основном, АП используется как метод быстрого прототипирования - ускоренный метод создания деталей перед их изготовлением по общепринятым методикам, таким как литье, формовка и т. д. Обычно такие детали не являются массовыми. Тем не менее, такой подход имеет недостаток в том, что при непосредственном выращивании остаточные напряжения сильно могут изменить геометрию изделия, которая может оказаться недопустимой. Это связано с тем, что морфология внутренней конструкции, толщина стенок и другие характеристики неизбежно оказывают сильное влияние на свойства производимого компонента. Параметры выращивания, такие как скорость перемещения сопла, температура базовой плиты, высота слоев, ориентация заполнения, мощность лазера, скорость подачи порошка выбираются на этапе подготовки и задаются с помощью программного обеспечения для прямого управления установкой, которое представляет собой машинный код. Но из-за нехватки специалистов в мире, не всегда удается рассчитать остаточные напряжения и деформации в изделии, с целью прогнозирования поведения конструкции, до начала производства. Поэтому часто этот этап пропускается, а коррекция геометрии детали, если требуется, делается уже после выращивания, после чего деталь производят заново. И так может происходить несколько раз, пока не получится изделие нужных форм и размеров.

Исследование напряженно-деформированного состояния позволяет определить допустимые нагрузки на конструкцию, спрогнозировать ее деформацию и оценить прочность материалов.

В связи с интенсивным развитием вычислительной техники стало возможным выполнение любых расчетов, в том числе и определение остаточных напряжений и деформаций при ПЛВ. В настоящее время на передний план выходят более универсальные методики, характеризующиеся простотой задания исходной информации. В основе таких методик лежит, в частности, метод конечных элементов, позволяющих решить данную задачу.

Для производства инженерного анализа и численного моделирования, доступных и удобных программных продуктов много, одним из таких является пакет конечно-элементного анализа Ansys. Его основным методом является метод конечных элементов. Метод конечных элементов — это численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики твердого деформируемого тела, теплообмена, гидродинамики, электродинамики и топологической оптимизации. Он основан на двух ключевых идеях: дискретизации объекта на конечное множество элементов и кусочно-элементной аппроксимации исследуемых функций. За счет этого метода возможно исследование объектов различной формы и физической природы, как однородных, так и неоднородных, с линейными и нелинейными свойствами, а также решение стационарных и нестационарных задач, в том числе задач контактного взаимодействия. Кроме того, данный метод позволяет моделировать любые граничные условия.

Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации технологии ПЛВ. Кроме того, анализ напряженно-деформированного состояния может применяться при проектировании аналогичных конструкций, изготовленных с использованием методов аддитивного производства, на основе раннее рассчитанных деталей.

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью улучшения подходов к оценке и прогнозированию деформаций деталей, созданных с использованием ПЛВ. Решение этой задачи связано с определенными неопределенностями, такими как недостаточное количество лабораторных исследований, ограниченное число аналитических исследований и мониторинговых данных. Работа по исследованию напряженно-деформированного состояния имеет большое значение для различных отраслей инженерных наук и имеет важное практическое применение.

Список литературы

1. Биргер И. А. Остаточные напряжения – 1963. 239 с.
2. Чернышев Г. Н. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах – 1996. 240 с.
3. Абрамов В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах – 1962. 356 с.
4. Гатовский К.М., Кархин В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений – 1980. 331 с.
5. Басов К.А. ANSYS для конструкторов – 2009. 248 с.