Дальневосточный математический журнал

К содержанию выпуска


Роль поверхностного натяжения и смачивания при выращивании металлоизделий в прямых лазерных технологиях 3D-печати


Н. И. Белозеров, К. А. Чехонин

2024, выпуск 2, С. 157-169
DOI: https://doi.org/10.47910/FEMJ202414


Аннотация
Рассматривается трехмерный конвективный тепломассоперенос возникающий в ванне расплава металла при наращивании слоя в лазерных технологиях 3D-печати (L-DED-технология). В основу математической модели рассматриваемого неизотермического гидродинамического процесса с фазовым переходом положены уравнения Навье-Стокса, неразрывности и энергии с учетом диффузионных, конвективных и радиационных тепловых потерь. Динамическая модель свободной поверхности расплава металла включает скачок давления Лапласа, силы Марангони и условия смачивания. Численное решение задачи производится методом смешанных конечных элементов с дивергентно устойчивой аппроксимацией основных переменных. Показано влияние поверхностного натяжения и динамики смачивания на эволюцию геометрических параметров ванны с расплавом при выращивании тонкой стенки.

Ключевые слова: L-DED-технологии, поверхностное натяжение, смачивание, конвективный тепломассоперенос, фазовый переход, свободная поверхность.

Полный текст статьи (файл PDF)

Библиографический список

[1] Mukherjee T., DebRoy T., Theory and Practice of Additive Manufacturing 1st Edition, Wiley, 2023.
[2] Рудской В. К. [и др.], Аддитивные технологии. Материалы и технологические процессы, Политех – Пресс, СПб, 2021, 515 с.
[3] Liu T. S., Chen P., et al., “Review on laser directed energy deposited aluminum alloys”, Int. J. Extrem. Manuf., 6:2, (2024), 022004.
[4] Kovalev O., Bedenko D., Zaitsev A., “Development and application of laser cladding modelling technique: From coaxial powder feeding to surface deposition and bead formation”, Appl. Math., 57, (2018), 339–359.
[5] Ye W.-S., Sun A.-D., Zhai W.-Z., Wang G.-L., “Finite element simulation analysis of ?ow heat transfer behavior and molten pool characteristics during 0Cr16Ni5Mo1 laser cladding”, J. of Materials Research and Technology, 30, (2024), 2186–2199.
[6] Udin I., Valdaytseva E., Hislov N., “Numerical Estimation of the Geometry of the Deposited Layers during Direct Laser Deposition of Multi-Pass Walls”, Metals, 11:12, (2021), 1972.
[7] Chekhonin K. A., Vlasenko V. D., “Modelling of capillary coaxial gap ?lling with viscous liquid”, Computational Continuum Mechanics, 12, (2019), 313–324.
[8] Chekhonin K. A., Vlasenko V. D., “Three–dimensional Finite Element Model of Three– phase Contact Line Dynamics and Dynamic Contact Angle”, WSEAS transactions on ?uid mechanics, 19, (2024), 577–582.
[9] Shikhmurzaev Y. D., “Solidi?cation and dynamic wetting: a uni?ed modeling framework”, Physics of Fluids, 33, (2021), 072101.
[10] Herbaut et al R., “A criterion for the pinning and depinning of an advancing contact line on a cold substrate”, Euro. Phys. J. Spec. Top., 229, (2020), 043602.
[11] Gielen et al M. V., “Solidi?cation of liquid metal drops during impact”, J. Fluid Mech., 883:A32, (2020), 20.
[12] Chekhonin K. A., Vlasenko V. D., “Three-dimensional ?nite element model of the motion of a viscous incompressible ?uid with a free surface, taking into account the surface tension”, AIP conference proceedings. Actual problems of continuum mechanics: experiment, theory, and applications, 207, (2023), 030007.
[13] Булгаков В. К., Чехонин К. А., Основы теории метода смешанных конечных элементов, Изд-во Хабар. политех. института, Хабаровск, 1999.
[14] Белозеров Н. И., Чехонин К. А., “Трехмерное конечно-элементное моделирование течения расплава металла со свободной поверхностью в условиях движущегося лазерного источника”, Дальневосточный математический журнал, 24:1, (2024), 9–21.
[15] Белозеров Н. И., Чехонин К. А., “Самосогласованная численная модель гидродинамических процессов в технологии прямого лазерного наращивания слоя”, Сборник тезисов XXVIII Всероссийской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, 2023, 16–18.
[16] Белозеров Н. И., Чехонин К. А., “Моделирование гидродинамических процессов в технологии прямого лазерного аддитивного процесса”, Современные проблемы механики сплошной среды, Тезисы докладов XXI Международной конференции, 2023, 12.
[17] Yua J., Lin X., Wang J., “Mechanics and energy analysis on molten pool spreading during laser solid forming”, Applied Surface Science, 256, (2010), 4612–4620.
[18] Rappaz M., Bullet M., Deville M., Modeling in Materials Science and Engineering, Springer Verlag, Berlin, 2003.
[19] Воинов О. В., “Гидродинамика смачивания”, Механика жидкости и газа, 5, (1976), 76–84.

К содержанию выпуска