Учет эффекта смачивания при моделировании процесса наплавки проволочных материалов

Автор: Роман Позолович Давлятшин

Соавторы: Трушников Дмитрий Николаевич

Организация: Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Учет эффекта смачивания при моделировании процесса наплавки проволочных материалов

В настоящее время процесс аддитивного формирования изделий методом послойной проволочной наплавки успешно реализован разными научными группами, однако остается целый ряд проблем, одна из них – сложность определения оптимальных параметров процесса наплавки. Проблема усугубляется тем, что существующие пакеты математического моделирования не учитывают изменение геометрии изделия в реальном времени, поэтому толщина слоя является входным параметром, который определяется эмпирически. Для решения этой проблемы необходимо учитывать движение расплавленного металла, т.е. рассчитывать изменение геометрии в реальном времени. При этом традиционные сеточные методы, такие как, метод конечных элементов не позволят обеспечить необходимой производительности [1, 2], поэтому в работе используется один из бессеточных методов, метод гидродинамики сглаженных частиц [3].

Таким образом целью работы является доработка существующей математической модели процесса проволочной наплавки для учета эффекта смачивания, численная реализация и исследование [4, 5]. Улучшенная математическая модель должна точнее описывать геометрию одиночного валика и изделия в целом.

 

 

Визуализация результатов моделирования процесса проволочной наплавки стенки из 4 слоев

 

С использованием разработанной модели была проведена серия численных экспериментов, направленных на её верификацию и исследование. Рассмотрено влияние смачивания на геометрические характеристики одиночных валиков для стали, бронзы и титана. Выявлено, что учет смачивания ведет к уменьшению ширины валиков.  

 

1.Trushnikov D.N., Hu R., Luo M., Liu T., Liang L., Huang A., Karunakaran K. P., Pang S. Thermal fluid dynamics of liquid bridge transfer in laser wire deposition 3D printing // Science and Technology of Welding and Joining. – 2019. – Vol. 24, No. 5. – pp. 401-411, DOI: 10.1080/13621718.2019.1591039

2.Shcherbakov A.V., Gaponova D.A., Rodyakina R.V. Numerical Modeling of Heat Transfer and Material Flow During Wire-Based Electron-Beam Additive Manufacturing // Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). – 2019. – pp. 1115-1125. DOI: 10.1007/978-3-030-22063-1_119

3. Meier C. et al. A novel smoothed particle hydrodynamics formulation for thermo-capillary phase change problems with focus on metal additive manufacturing melt pool modeling // Comp. Meth. in Appl. Mech. and Eng. - 2021. - Vol. 381. - 113812.

4.Trushnikov D.N. et al. Mathematical modeling of the electron-beam wire deposition additive manufacturing by the smoothed particle hydrodynamics method // Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes. 2019. Vol. 5, № 1. P. 4. doi: 10.1186/s40759-019-0044-1.

5.Davlyatshin R.P. et al. Mathematical modeling the process of wire surfacing by the smoothed particle hydrodynamics method // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1730, № 1. P. 012003. doi: 10.1088/1742-6596/1730/1/012003.