Исследователи Fraunhofer IWM разработали метод моделирования L-PBF процесса на уровне микроструктуры

При производстве с помощью L-PBF процесса важно, чтобы плотность отпечатков составляла 100%, в них отсутствовали поры, а каждый новый нанесенный слой прочно сцеплялся с нижележащим. Это достигается путем регулировки таких параметров процесса как скорость сканирования и мощность лазера. Микроструктура металлических зерен особенно важна для механических свойств заготовки. Они имеют определенную ориентацию, размер и форму и оказывают значительное влияние на механические свойства, такие как модуль упругости материала или предел текучести. Поиск оптимальных параметров процесса и материалов и их согласование друг с другом до сих пор был экспериментальным и, следовательно, трудоемким занятием.

Исследователи из института механики материалов им. Фраунгофера (Fraunhofer IWM) разработали метод моделирования процесса синтеза на подложке с помощью лазера на уровне микроструктуры (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF). Для этого они скомбинировали несколько различных методов моделирования.

Используя метод дискретных элементов, они сначала смоделировали, как отдельные частицы порошка распределяются в строительной камере с помощью ракельного ножа. Затем с помощью метода гидродинамики сглаженных частиц моделируется способ плавления частиц порошка - рассчитывается взаимодействие лазера и теплопроводность, а также поверхностное натяжение, которое вызывает течение расплава. В расчетах также учитывается сила тяжести и давление отдачи, возникающее при испарении материала.

Моделирование процесса LPBF с отсутствием дефектов плавления и остаточной пористости © Fraunhofer IWM

Моделирование также должно описывать микроструктуру материала, чтобы предсказать его механические свойства. "Для анализа этой микроструктуры мы применили другой метод моделирования, известный как клеточный автомат. Он описывает, как металлические зерна растут в зависимости от градиента температуры", - объясняет д-р Клаас Бирвиш, руководитель группы в Fraunhofer IWM. Это связано с тем, что в месте контакта лазера с порошком температура может достигать 3 000 градусов, но всего в нескольких миллиметрах от него материал холодный. Кроме того, лазер движется над слоем порошка со скоростью до нескольких метров в секунду. В результате материал нагревается очень быстро, но затем снова остывает в течение миллисекунд. Все это оказывает влияние на формирование микроструктуры. Последним этапом является моделирование методом конечных элементов: исследовательская группа использует его для проведения испытаний на растяжение в различных направлениях на представительном объемном элементе материала, чтобы выяснить, как материал реагирует на эти нагрузки.

Моделирование процесса LPBF с помощью трассировки лучей © Fraunhofer IWM

"В эксперименте мы можем изучить только конечный результат, в то время как при моделировании мы можем наблюдать за происходящим в реальном времени. Другими словами, мы создаем взаимосвязь "процесс-структура-свойства": Например, если мы увеличиваем мощность лазера, то меняется микроструктура. Это, в свою очередь, существенно влияет на предел текучести материала. Качество этого совершенно отличается от того, что возможно в эксперименте, - говорит Бьервиш. - Вы можете обнаружить взаимосвязи почти исследовательским путем".

(на первом рисунке изображено моделирование формирования столбчатой микроструктуры в бассейне лазерного расплава (иллюстрация © Fraunhofer IWM)).