Z2-4446 Numerično simuliranje nastajanja poroznosti pri novi hibridni dodajalni tehnologiji

Vodja projekta: dr. Tijan Mede

Znanstveno ozadje

Dodajalne tehnologije (DT), znane tudi pod imenom 3D tisk, predstavljajo potencialno revolucionarno proizvodno tehnologijo za več različnih industrijskih področij. Generiranje objektov 'od spodaj navzgor' z dodajanjem materiala omogoča proizvodnjo geometrično kompleksnih struktur, katerih izdelava s tradicionalnimi proizvodnimi tehnologijami je nemogoča ali pa vsaj skrajno draga. Povrh vsega dodajalne tehnologije v primerjavi s tradicionalnimi proizvodnimi tehnologijami drastično zmanjšajo materialni odpadek ter porabo energije, poleg tega pa tudi zmanjšujejo pomen ekonomije obsega. Medtem ko so bile dodajalne tehnologije s pridom izkoriščene že v številnih panogah od zdravstva do obrambe in avtomobilske industrije, največji potencial predstavljajo za vesoljsko in aeronavtično industrijo. Zmožnost proizvodnje skrajno kompleksnih geometrij omogoča znižanje teže komponent ter posledično znižanje porabe goriva ter povečanje dometa plovil.

V množici različnih variacij DT izstopata predvsem dve tehnologiji, vsaka z drugačnim naborom lastnosti. Selektivno lasersko taljenje (SLT) je neprekosljivo v svoji sposobnosti izdelave predmetov z visoko dimenzijsko natančnostjo in odličnimi mehanskimi lastnostmi; je pa proces po drugi strai razmeroma zamuden, poleg tega pa je velikost izdelanih predmetov omejena na dimenzije komore. Lasersko direktno navarjanje (LDN) po drugi strani nima nikakršnih omejitev glede velikosti izdelanih predmetov in je tudi bistveno hitrejše na račun zmanjšane dimenzijske natančnosti in nekoliko slabših mehanskih lastnosti. Z novo hibridno dodajalno tehnologijo (HDT), ki bi združevala oba prostopa, bi lahko izkoristil prednosti obeh in tako nadgradili obstoječo tehnologijo.

Identifikacija problema

Začetni poskusi, ki so bili pred kratkim izvedeni na Evropski vesoljski agenciji v sodelovanju z IMT inštitutom, so izkazali izvedljivost HDT. Vzpostavljene so bile procesne verige za Inconel 625, Inconel 718 in Ti6Al4V, vzorci pa so pod pravimi pogoji izkazali odlične mehanske lastnosti [7]. Vendar pa je bilo mogoče dober SLT/LDN spoj zagotoviti le v primerih, ko je bila spojna ravnina vzporedna s podlago za igradnjo. Kadar temu ni bilo tako, se je v vmesnem območju pogosto razvila močna poroznost, ki je pri statičnih obremenilnih preskusih povzročila koncentracije napetosti in zmanjšane raztezke pri odpovedi materiala. Poleg tega so pore delovale kot iniciacijske razpoke loma, ko so bili deli izpostavljeni dinamični obremenitvi. Na žalost je nagib orientacije spojne ravnine glede na podlago za igradnjo pogosto neizogibna posledica kompleksnosti načrtovanega izdelka ali uporabe različnih smeri gradnje. Poleg tega so rezultati pokazali, da je toplotno prizadeto območje LDN bolj obvladljivo, kadar je spojna ravnina SLT/LDN usmerjena pravokotno na podlago za igradnjo. Nadzor procesa in zagotavljanje dobrega spoja med SLT in LDN ne glede na orientacijo spojne ravnine je tako ključnega pomena. Za nadzor procesa je potrebno boljše razumevanje pojavov, ki povzročajo poroznost, in raziskati uporabno območje procesnih parametrov.

Cilji raziskave

Cilj tega projekta je tako rešiti problem visoke poroznosti v veznem območju med regijama SLT in LDN pri uporabi HDT tehnologije. Da bi pridobili globlje razumevanje pojava nastanka poroznosti, bo uporabljeno najsodobnejše numerično modeliranje za simulacijo procesa s pomočjo katerega bomo tudi analizirali tudi uporabno okno procesnih parametrov, ki bo zagotavljalo strukturno integriteto izdelkov. Glavni cilji so sledeči:

Cilj 1: Razvoj numeričnega modela nanašanja, taljenja in strjevanja materiala. Na podlagi komputacijske mehanike fluidov bomo simulirali ustrezne fizikalne procese nanašanja materiala, difuzije toplote skozi trdno snov, taljenja/strjevanja, konvekcije taline v talini, izhlapevanja in ustvarjanja parnega tlaka. Za sledenje prosti površini staljenega materiala in napovedovanje končne oblike strjenega produkta bo uporabljena metoda volumna tekočine (MVT).

Cilj 2: Analiza fizikalnih procesov, ki vodijo do razvoja visoke poroznosti v veznem območju. Obsežen nabor podatkov, ki jih pridobimo z rezultati simulacij, je neprimerno večji od količine podatkov, ki jih je mogoče izmeriti pri izvajanju DT poskusov. Mehanizem nastanka poroznosti v spojni coni pri uporabi HDT bo identificiran s pomojo natančne analize izračunanih temperaturnih, hitrostnih in tlačnih polj.

Cilj 3: Določitev uporabnega procesnega okna za Inconel 718 in izdelava HDT vzorca brez poroznosti. Na podlagi ugotovitev iz ciljnega sklopa 2 bo ocenjen uporabni razpon parametrov za HDT proizvodnjo Inconela 718. Izvajanje številnih simulacij ob sistematičnem spreminjanju proizvodnih parametrov nam bo omogočilo, da raziščemo razpon kombinacij parametrov, s katerimi je mogoče preprečiti nastanek poroznosti v spojni coni. Nazadnje bomo kot dokaz koncepta uporabili HDT za izdelavo izdelka iz Inconela 718 brez poroznosti v spojni coni.

Pomembnejši dosežki in rezultati

O pomembnosti trkanja delcev v toku prahu pri tehnologiji laserskega direktnega navarjanja

V okviru numeričnega modelanja nanašanja, taljenja in strjevanja materiala pri uporabi dodajalnih tehnologij (DT) smo se nekoliko bolj poglobili v nanašanje materiala pri laserskem direktnem navarjanju (LDN). Slendja tehnologija, kjer se material v obliki prahu v goriščno točko laserja dovaja v obliki curka prašnih delcev, zaradi hitre izdelave in možnosti izdelave velikih kosov, velja za skrajno perspektivno, vendar pa zaradi nizke dimenzijske natančnosti in pogostih strukturnih nehomogenosti velja za sila problematično. Omenjene težave LDN tehnologije v veliki meri izvirajo iz relativno slabega razumevanja in nadzora nad gibanjem prašnih delcev v curku prahu, ki material dovaja v ohlajajočo se talino na površju obdelovanca. Obstoječi pristopi simulacije tega curka prahu temeljijo na uporabi komputacijske dinamike fluidov, s katero je mogoče elegantno modelirati inetrakcijo med prašini delci in okoliškim plinom, vendar po drugi strani ne omogoča modeliranja interakcij med samimi delci prahu. Trki med delci prahu se običajno zanemarijo kot relativno nepomembni, v resnici pa še nihče ni preučil in kvantificiral njihovega vpliva na dinamiko toka prahu pri uporabi LDN. V okviru tega projekta smo omenjeni tok prahu modelirali na osnovi metode diskretnih elementov (MDE) ter ob spreminjanju ključnih parametrov LDN procesa opazovali pogostost in lastnosti trkov prašnih delcev. Ugotovili smo da so trki med posamezni prašnimi zrni skozi večinski del uporabnega spektra vrednosti ključnih procesnih parametrov zelo pogosti ter močno spreminjajo trajektorije gibanja delcev prahu. To pomeni, da trki med delci prahu močno vplivajo na dinamiko prašnega toka ter končno porazdelitev delcev na površini obdelovanca, zaradi česar jih v numeričnih modelih ne bi smeli zanemariti. Omenjeno študijo smo objavili v

reviji Powder Technology ter je javnosti na voljo v prostem dostopu [1].

Sodelovanje z Evropsko vesoljsko agencijo

Veseli nas, da lahko oznanimo, da smo na podlagi rezulatov o

relevantnosti trkov med prašnimi delcev pri uporabi laserskega direktnega navarjanja (LDN) [1] zasnovali nov pristop k modeliranju slednjega ter z novim pristopom vzbudili pozornost Evropske vesoljske agencije (ESA), s katero sedaj pričenjamo novo sodelovanje. Na podlagi ESA RPA pogodbe 4000142691/23/NL/MH/mp bomo sodelovali na nadgradnji toka delcev na osnovi metode diskretnih elementov (MDE) v sklopljen model na osnovi MDE in CFD (komputacijske dinemike fluidov), s katerim bo mogoče preseči pomankljivosti konvencionalnih pristopov k modeliranju omenjenega toka delcev ter simulirati tako dvosmerno interakcijo med nosilnim plinom in prašnimi delci kot tudi interakcije med samimi delci prahu. Ob uspešnem zaključku projekta bo razviti sklopljen model dinamike toka delcev postal sestavni del simulacijskega orodja, ki ga ESA razvija za podporo uporabi LDN tehnologije v vesolju, s katero bo mogoče različne strukture kot so antene in teleskopi fabricirati v zemeljski orbiti.

Meritev hitrostnih porazdelitev delcev kovinskega prahu na izhodu iz LDN šobe 

Za potrebe simulacije nanašanja materiala tekom laserskega direktnega navarjanja (LDN) s sklopljenim modelom na osnovi metode diskretnih elementov (MDE) in komputacijske fluidne mehanike (CFD) smo opravili meritev hitrosti delcev kovinskega prahu na izhodu iz dodajalne šobe. Hitrost prašnih delcev je v numeričnem modelu uporabljena kot robni pogoj za prašno fazo in zato nujno potrebna za uspešen zagon simulacij, vendar v objavljeni literaturi na to temo kroži mnogo špekulacij in nasprotujočih si informacij. Z neposredno meritvijo hitrostnih porazdelitev delcev smo zagotovili natančne in zanesljive vhodne podatke za zagon simulacij, s katerim bomo lahko izračunali zanesljive rezultate. Za meritev smo zasnovali in uporabili lasten izvirni pristop z uporabo dveh hitrih kamer, s katerimi simultano zajememo slike toka delcev z dveh različnih kotov. V post-procesiranju tako na podlagi parov slik lahko izračunamo 3D trajektorije delcev. Meritev smo izvedli na dodajalni šobi Fraunhofer COAX 12V5 v EMO orodjarni v Celju v sodelovanju z LASIN laboratorijem s Fakultete za Strojništvo v Ljubljani, podjetjem BALMAR, Javno agencijo za znanstvenoraziskovalno dejavnost (ARIS) in Evropsko vesoljsko agencijo.

Sklopljen MDE-CFD model toka delcev pri laserskem direktnem navarjanju

V sodelovanju z Javno agencijo za znanstvenoraziskovalno dejavnost (ARIS) in Evropsko vesoljsko agencijo (ESA) smo razvili sklopljen model toka prašnih delcev in nosilnega plina na osnovi metode diskretnih elementov (MDE) in komputacijske dinamike fluidov (CDF). Razviti model predstavlja pomemben korak naprej v razvoju numeričnih modelov s katerimi je mogoče simulirati dodajanje materiala pri uporabi laserskega direktnega navarjanja (LDN), kar vključuje let kovinskih delcev in nosilnega plina od dodajalne šobe do taline na površju obdelovanca. V primerjavi s konkurenčnimi modeli razviti model lahko simulira tudi trke med prašnimi delci, za katere smo dokazali, da imajo ključen vpliv na dinamiko prašnega toka [1]. Navdih za tovrstno simulacijo smo našli v geomehaniki, kjer se podobna metodologija uporablja za modeliranje plazov in podobih geomehanskih izzivov. Natančna simulacija nanašanja materiala je eden najpomembnejših izzivov na poti do reševanja obstoječih težav z slabo natančnostjo fabriciranja, ki pesti LDN metodo. Tudi ESA se trudi razviti natančne simulacije LDN procesa, ki so ključ do uporabe omenjene tehnologije za tiskanje komponent v orbiti ter na drugih planetih. Razviti sklopljen model nanašanja materiala pri LDN bo tako vgrajen v numerične modele, ki jih ESA uporablja za lastne potrebe.

Predstavitev razvitega numeričnega modela na ECSSMET 2024 konferenci

Razviti sklopljeni model toka prašnih delcev in nosilnega plina na osnovi metode diskretnih elementov (MDE) in komputacijske dinamike fluidov (CFD) ter njegovo implementacijo v globalni numerični model nastajanja in dinamike taline pri laserskem direktnem navarjanju (LDN) smo predstavili na ECSSMET 2024 konferenci o strukturah in materialih vesoljskih plovil ter okoljskih analizah [2]. Konferenca v organizaciji Evropske vesoljske agencije (ESA) poteka na njihovem ESTEC tehnološkem centru v Noordwijk-u na Nizozemskem. Naš prispevek je bil predstavljen v sklopu predavanj na temo aditivnih tehnologij, kjer je bilo govora predvsem o uporabi dodajalnih tehnologij za izdelavo komponent vesoljskih plovil in struktur ter razvoju aditivne tehnologije za eventuelno uporabo v vesolju.

Vpliv velikosti delcev prahu na njihovo hitrostno porazdelitev na izhodu iz LDN dodajalne šobe

Ob analizi rezultatov meritev hitrosti prašnih delcev na izhodu iz dodajalne šobe za lasersko direktno navarjanje (LDN) smo opazili močan vpliv velikost delcev na njihovo hitrost. Na področju simulacij LDN se je o tem že nekaj časa špekuliralo, saj se pričakuje, da zelo majhni delci z dovolj majhnim Stokesovim številom sledijo gibanju in hitrosti nosilnega plina, medtem ko imajo večji delci dovolj vztrajnosti, da se odbijajo od notranjih sten dodajalne šobe, zaradi plastičnih trkov izgubljajo energijo ter iz šobe izstopijo z zmanjšano hitrostjo glede na nosilni plin. Omenjeni mehanizem hitrostne segregacije delcev je sicer mogoč, vendar ni bil nikoli eksperimetnalno potrjev, njegova jakost pa je ostajala neznana. Z našim eksperimentom smo uspeli potrditi, da se manjši delci prahu v resnici gibljejo počasneje kot večji, vendar se hkrati gibljejo tudi hitreje od povprečne hitrosti nosilnega plina, kar namiguje na drugačen mehanizem hitrostnih razlik med delci. Uspeli smo pokazati, da se manjši delci v primerjavi z večjimi bolj koncentrirajo v središču dodajalne šobe, kjer se nosilni plin giblje hitreje, z njim pa tudi sami delci prahu. Na podlagi meritev smo predlagali model hitrosti prašnih delcev na izhodu iz šobe, ki predstavlja pomemben prispevek k natančnosti modelov dodajanja materiala pri LDN. Rezultate smo v objavo poslali v uveljavljeno znanstveno revijo Materials & Design, kjer je bil naš članek [3] ravnokar sprejet z manjšimi popravki ter bo kmalu objavljen v odprtem dostopu.

Fantastični mikrokozmos zrnatih materialov

Na blogu Znanost na cesti smo objavili poljudnoznanstveni prispevek [9], kjer bralce popeljemo od raziskovanja mikrokozmosa zrnatih materialov do vloge zrnatih materialov pri raziskovanju vesolja. V članku na razumljiv način predstavimo nenavadno naravo zrnatih oz. sipkih materialov ter kako mikromehanika interakcij med posameznimi sestavnimi zrni vpliva na številne nenavadne lastnosti teh materialov. Bralce na kratko popeljemo skozi zgodovino raziskovanja teh nenavadnih materialov ter jim predstavimo kako so se prav sipki materiali nepričakovanu znašli v središču pozornosti v novem zaletu, ki ga v zadnjem času pridobiva raziskovanje vesolja. Članek je v prostem dostopu na naslednji povezavi:

https://znc.si/blog/fantasticni-mikrokozmos-zrnatih-materialov/

Vabljeni k branju!

Znanstvene objave

[1] Mede, Tijan, in Matjaž Godec. „Relevance of inter-particle interaction in directed energy deposition powder stream“. Powder technology, št. 435, 2024, str. 1–9, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032591024000354?via%3Dihub.

[2] Mede, Tijan, idr. A coupled fluid-granular approach to modelling powder stream in directed energy deposition. ESA conference bureau; ATPI corporate events, 2024, str. 1–6.

[3] Mede, Tijan, idr. „Influence of particle size on powder velocity distribution at the nozzle outlet in Directed Energy Deposition“. Materials & design, št. [ ], 2025, str. 1–10, https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=5116848.

Prispevki na konferencah

[4] Mede, Tijan, idr. „A coupled CFD-DEM approach to modelling powder stream in Direct Energy Deposition“. 3rd International Conference on 3D Printing & Additive Manufacturing: November 14-15, 2024, Rome, Italy, 2024, str. 25, https://3dprintingevents.com/2024/conference-book.

[5] Mede, Tijan, idr. „A coupled fluid-granular approach to modelling powder stream in directed energy deposition“. 29. mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah: 2.-4. oktober 2024, Portorož, Slovenija, 2024, str. 58, https://mater-tehnol.si/index.php/MatTech/article/view/1316/372.

[6] Mede, Tijan, in Matjaž Godec. „A coupled CFD-DEM approach to modelling powder stream in Direct Energy Deposition“. Additive 2024, 2024, str. 1, https://dgm.inventum.de/app/medialibrary/show/eventItem/41f1081b-7d54-46ac-81c5-7980cd4cc901.

[7] Mede, Tijan, in Matjaž Godec. „A coupled CFD-DEM approach to modelling powder stream in direct energy deposition“. 28. Mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah: 11.–13. oktober 2023, Portorož, Slovenija, 2023, str. 60, https://mater-tehnol.si/index.php/MatTech/article/view/1022/277.

[8] Mede, Tijan, in Matjaž Godec. „Modelling heat transfer in selective laser melting process“. Book of abstracts, 2022, str. 1.

Poljudni članki

[9] Mede, Tijan. „Fantastični mikrokozmos zrnatih materialov“. Znanost na cesti, 2025, https://znc.si/blog/fantasticni-mikrokozmos-zrnatih-materialov/.