Modelowanie elementów skończonych używane do badania, w jaki sposób defekty mogą wpływać na porowatość w strukturach kratowych drukowanych w 3D

Poprzednie badanie dotyczące wpływu porowatości na właściwości mechaniczne litego stopionego tytanu Ti6Al4V w 3D pokazało, że małe pory nie miały większego wpływu, ale większe z około 5% udziałem objętościowym mogły spowodować znaczną utratę tych właściwości . Istnieje więc potencjał, że małe pory mogą być nieszkodliwe, ale nie zostały jeszcze ustalone bez wątpienia.

Aby przeanalizować odkształcenia i rozkłady naprężeń w strukturach kratowych oraz interpretować mechanizmy uszkodzeń, można użyć elementu skończonego modelowanie (FEM), które jest praktycznym sposobem oceny projektów bez poświęcania zbyt dużo czasu i pieniędzy na tworzenie struktur prototypowych.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Stellenbosch i Centralnego Uniwersytetu Technicznego użył uproszczonej metody MES do zbadania w jaki sposób izolowane defekty lasera ze sproszkowanym łożem laserowym (LPBF) mogą wpływać na maksymalne lokalne stężenia naprężeń przy obciążeniu ściskającym. Wyjaśnili swoje badania w artykule zatytułowanym "Numeryczne i eksperymentalne badanie wpływu sztucznej porowatości na strukturę kraty wyprodukowaną za pomocą laseru w proszku w postaci proszku DNA".

Streszczenie brzmi: "Podczas gdy kraty badano szeroko, wpływ wad produkcyjnych na wydajność sieci nie został jeszcze szczegółowo przeanalizowany. Jednym z ważnych wad produkcyjnych, które można względnie łatwo analizować numerycznie i doświadczalnie, są niepożądane puste przestrzenie lub porowatość. W tej pracy, wykorzystując prostą sześcienną strukturę kraty jako przypadek testowy, pory o różnych rozmiarach indukowano w pojedynczej kolumnie i symulowano obciążenie ściskające. Kraty Ti6Al4V ELI (extra low interstitial) wytwarzane przez fuzję laserem ze sproszkowanym złożem, z porami lub bez, poddawano mechanicznym testom ściskania. Obrazy MicroCT potwierdziły obecność i rozmiar indukowanych pustek w produkowanych próbkach. Wyniki kompresji mechanicznej pokazują, że nawet stosunkowo duże pory w poszczególnych rozpórkach nośnych nie wpływają na ostateczną wytrzymałość na ściskanie badanych kształtów kratownic oraz na pojedyncze duże pory. "

Naukowcy dodali sferyczny defekt do trójwymiarową konstrukcję z drukowanej siatki 3D i zmierzył maksymalne naprężenia przy sąsiedniej rozpórce i krawędzi defektu. Dla porównania do konstrukcji wprowadzono również kwadratowy defekt obrócony o 45 ° w stosunku do kierunku obciążenia.

"Próbki LPBF Ti6Al4V ELI (o bardzo niskiej śródmiąższości) ze sztucznymi defektami i bez nich zostały wyprodukowane i przeanalizowane przezmikroktrografia o wysokiej rozdzielczości, aby potwierdzić obecność celowych defektów i określić maksymalną wielkość defektu, przed testami kompresji "- napisali naukowcy.

" Próbki kontrolne zawierały również nieoczekiwane pory o mniejszej średnicy i celowe pory różniły się rozmiarem. Pozwala to na pierwszą ocenę ilościową wpływu wielkości defektu porów na wytrzymałość na ściskanie struktur kratowych. Dane microCT są następnie wykorzystywane do symulacji w celu zbadania różnic między rozkładami naprężeń w idealnym modelu a próbką fizyczną. " CD3D .

Autodesk Fusion 360 został użyty do zaprojektowania regularnych prostokątnych sieci, a MES przeprowadzono w nowej opartej na wokselu symulacji obciążenia statycznego w Volume Graphics VGStudioMax 3.0. Technologia LPBF została wykorzystana do drukowania 3D 12 próbek kostek sieciowych na drukarce EOS M 280 3D: cztery bez sztucznych porów, cztery z porami sferycznymi 0,5 mm i cztery z sześciennymi porami o mniej więcej tej samej średnicy. Naukowcy umieścili sztuczne defekty wewnątrz poziomych rozpór struktur kratowych i przeprowadzili testy ściskania w tym kierunku.

"Symulacyjne symulacje obciążenia zostały przeprowadzone na plikach projektowych w celu zbadania maksymalnych lokalnych naprężeń w kolumnach do różnych wielkości sferycznych porów. Wprowadzając sferyczny defekt o różnej wielkości w modelu sieciowym, można uzyskać maksymalne lokalne naprężenie w rozpórce z porami i sąsiednią kolumną "- napisali naukowcy.

Przykład tego typu symulacja, wykorzystująca sferyczny porów o średnicy 0,45 mm, jest pokazana na rysunku po lewej stronie. Kiedy wielkość porów jest większa niż rozpórka, która symuluje nieudaną kolumnę, która nie przenosi obciążenia, zwiększa się nacisk na sąsiedni. Oznacza to, że mniejsze pory mogą powodować mniejsze naprężenia.

Należy jednak pamiętać, że rzeczywiste defekty wytwarzane przez drukowanie LPBF 3D są zazwyczaj wydłużone, a nawet nieregularne, a nie zaokrąglone lub sferyczne, podobnie jak używane defekty testowe W tym badaniu. Nieregularne defekty mogą czasami zawierać ostre krawędzie, które działają jak koncentratory naprężenia, dlatego badacze wprowadzili również defekt w kształcie sześcianu.

Testy kompresji przeprowadzono na wszystkich 12 próbkach, z których wszystkie okazały się zawierać niezamierzona porowatość. Ale pomimo wielkości porów, nie miały one wpływu na siłę plastyczności, co pokazuje, że nawet duże pory nie mają wpływu na siatkęwytrzymałość struktury dla danej chropowatości powierzchni.

"W pracy tej wykazano, stosując symulacje numeryczne i fizyczne testy ściskania, że ​​wytwarzane addytywnie kraty mogą być wytwarzane dla zastosowań nośnych i wielkości nieumyślnie wytworzonych porów będą miały minimalny wpływ na wytrzymałość konstrukcji. Z tych wyników jasno wynika, że ​​nie tylko projekt kratownicy odgrywa ważną rolę w lokalnych naprężeniach, ale także rodzaj chropowatości powierzchni dodawanych elementów ", podsumowują naukowcy. "Można się spodziewać, że redukcja naprężeń przy mniej ostrych narożnikach w konstrukcji kratownicy i mniej chropowatej powierzchni, doprowadzi do wzmocnienia struktur i może być szczególnie cenna dla zwiększenia trwałości zmęczeniowej."