Дальневосточный математический журнал

К содержанию выпуска


Численное моделирование роста лежащей капли расплава металла на горизонтальной подложке в условиях прямой подачи лазерной энергии и порошка


К. А. Чехонин

2024, выпуск 2, С. 286-299
DOI: https://doi.org/10.47910/FEMJ202426


Аннотация
В работе предлагается новый способ исследования динамики растекания, смачивания и тепломассопереноса в лазерных прямых аддитивных технологиях металлоизделий (L-DED) путем наращивания лежащей капли. Ее наращивание производится при неподвижном лазерном излучении, действующем на подложку и металлический порошок, который подается струей инертного газа в область фокусировки лазерного луча. Тепломассоперенос расплава металла с ньютоновской реологией считается ламинарным с не зависящей от температуры плотностью. Подаваемый с подогревом порошок на поверхности ванны мгновенно плавится и добавляется в виде непрерывного потока массы через свободную поверхность растущей капли с заданным распределением. Динамические условия на ее свободной поверхности зависят от величины поверхностного натяжения, касательного напряжения Марангони и нормального давления от воздействия струи газа с порошком. Моделирование смачивания расплавом твердых поверхностей производится в рамках модифицированной модели Воинова. Численное решение задачи производится в трехмерной и осесимметричной постановках методом смешанных конечных элементов с использованием ALE-алгоритма отслеживания свободной поверхности. Исследованы особенности тепломассопереноса в растущей капле и эволюции ее свободной поверхности. Показано существенное влияние потока газа и массового расхода порошка на структуру конвекции расплава в капле и эволюцию свободной поверхности с образованием кратера.

Ключевые слова: лазерная (L-DED) аддитивная технология, конвективный тепломассоперенос, растущая капля, метод смешанных конечных элементов, свободная поверхность, эффект Марангони, контактный угол смачивания.

Полный текст статьи (файл PDF)

Библиографический список

[1] Рудской В. К. [и др.], Аддитивные технологии. Материалы и технологические процессы, Политех – Пресс, СПб, 2021, 515 с.
[2] Mukherjee T., DebRoy T., Theory and Practice of Additive Manufacturing 1st Edition, Wiley, 2023, 522 pp.
[3] Liu T. S., Chen P., Qiu F., Yang H., Tan N. Y. J., Chew Y., Wang D., Li R., Jiang Q.-C., Tan Ch., “Review on laser directed energy deposited aluminum alloys”, International Journal of Extreme Manufacturing, 6:2, (2024), 022004.
[4] Bayat M., Dong W., Thorborg J., To A. C., Hattel J. H., “A review of multi-scale and multiphysics simulations of metal additive manufacturing processes with focus on modelling strategies”, Additive Manufacturing, 47, (2021), 102278.
[5] Yu T., Zhao J., “Quantitative simulation of selective laser melting of metals enabled by new high-fidelity multiphase, multiphysics computational tool”, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 399, (2022), 115422.
[6] Russell M. A., Souto-Iglesias A., Zohdi T. I., “ Numerical simulation of Laser Fusion Additive Manufacturing processes using the SPH method”, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 341, (2018), 163–187.
[7] 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.
[8] Yu J., Lin Y., Wang J., Chen J., Huang W., “ Mechanics and energy analysis on molten pool spreading during laser solid forming”, Applied Surface Science, 256:14, (2010), 4612–4620.
[9] Shikhmurzaev Y. D., “Solidification and dynamic wetting: a unified 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., “Solidification of liquid metal drops during impact”, J. Fluid Mech., 883:A32, (2020), 20.
[12] Chekhonin K. A., Vlasenko V. D., “Three-dimensional finite element model of three-phase contact line dynamics and dynamic contact angle”, WSEAS transactions on fluid mechanics, 19, (2024), 577–582.
[13] Chekhonin K. A., Vlasenko V. D., “Three-dimensional finite element model of the motion of a viscous incompressible fluid 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.
[14] Белозеров Н. И., Чехонин К. А., “Трехмерное конечно-элементное моделирование течения расплава металла со свободной поверхностью в условиях движущегося лазерного источника” , Дальневост. матем. журн., 1, (2024), 9–21.
[15] Булгаков В. К., Чехонин К. А., Липанов А. М., “Заполнение области между вертикальными коаксиальными цилиндрами аномально вязкой жидкостью в неизометрических условиях”, Инженерно-физический журнал, 57:4, (1989), 577–582.
[16] Chekhonin K. A., Vlasenko V. D., “Modelling of capillary coaxial gap filling with viscous liquid”, Computational Continuum Mechanics, 12, (2019), 313–324.
[17] Белозеров Н. И., Чехонин К. А., “Роль поверхностного натяжения и смачивания при выращивании металлоизделий в прямых лазерных технологиях 3D-печати”, Дальневост. матем. журн., 2, (2024), 157–169.
[18] DebRoy T., Wei H. L., Zuback J. S., Mukherjee T., Elmer J. W., Milewski J. O., Beese A. M., Wilson-Heid A., De A., Zhang W., “Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties” , Prog. Mater. Sci., 92, (2018), 112–224.
[19] Bax B., Rajput R., Kellet R., “Systematic evaluation of process parameter maps for laser cladding and directed energy deposition”, Additive Manufacturing, 21, (2018), 487–494.
[20] Маликов А. Г., Голышев А. А., Витошкин И. Е., “ Современные тенденции лазерной сварки и аддитивных технологий (обзор)” , Прикл. мех. техн. физ., 64:1, (2023), 36–59.
[21] Воинов О. В., “Гидродинамика смачивания” , Изв. АН СССР. МЖГ, 5, (1976), 76–84.
[22] Булгаков В. К., Чехонин К. А., Основы теории метода смешанных конечных элементов, Изд-во Хабар. политех. института, Хабаровск, 1999.

К содержанию выпуска