SIMULATING THE STRESS-STRAIN STATE DURING LASER METAL DEPOSITION TO DETERMINE THE FINAL WARPING OF PRODUCTS

Abstract


Additive technologies, including laser powder deposition (a repair technology), enable a sequential deposition of powder layers. This process involves large temperature gradients and technological residual stresses, which can lead to shape violations and change mechanical and operational characteristics of products. To control and prevent residual deformations in the hardfacing body, it makes sense to carry out finite element modeling of the laser powder hardfacing using layer-by-layer activation technology or adding new finite elements to the surface of the hardfacing model. The Element Birth/Death method is the most suitable method for this problem. In this case the elements for the material to be created are deactivated (so not included in the solution area), and then gradually revived and included in the solution area. The material is built up discretely. At each sub-stage of the calculation, corresponding to the revival of the next sub-domain of dead elements, the coupled problem of thermal conductivity and solid mechanics is solved, and thus the result of the solution of the previous sub-stage serves as the initial conditions for the next one. A mathematical model and an algorithm for modeling warping during the deposition are developed, and calculations for the deposition of cylindrical specimens are carried out. During the calculations, the multilinear MISO plasticity model for the sample material and the BISO bilinear plasticity model for the filler powder were used. We verified the model based on the optical control results of changes in the geometry of the experimental samples after the deposition had been carried out. The error in warpage calculation did not exceed 5%.

Full Text

Процесс лазерной порошковой наплавки заключается в постепенном нанесении тонких слоёв нагретого матери- ала на поверхность детали. Такой процесс предполагает большие температурные градиенты и технологические остаточные напряжения, которые могут приводить к нару- шению формы изделия, изменению механических и экс- плуатационных характеристик объекта [1–21]. Существуют разные варианты моделирования про- цесса лазерной порошковой наплавки методом конечных элементов [22], в том числе метод, отображающий ло- кальное поле остаточных напряжений, вычисленное на мезомасштабном уровне [23], метод собственных дефор- маций (inherent-strain method) [24], построение аналити- ческих выражений деформационного параметра для оценки максимальных остаточных деформаций [25; 26] и др. Однако для моделирования порошковой наплавки на изделия сложной произвольной формы основным подходом (в рамках МКЭ) является технология послой- ной активации или добавления новых конечных элемен- тов на поверхности наплавляемой модели. Применяются три наиболее часто используемых ме- тода моделирования осаждения материала – так называ- емый рождающийся элемент (element birth), спящий эле- мент (quiet element) и гибридная активация (hybrid activation) [27; 28]. В методе рождающегося элемента элементы для еще не созданного материала деактивиру- ются (и, таким образом, не включаются в область решения), а затем постепенно возрождаются и включа- ются в область решения. В методе спящих элементов все элементы присутствуют в расчетной модели с самого начала и имеют искусственные свойства с очень малой жесткостью. По мере наращивания детали свойства этих элементов поэтапно переключаются на реальные физи- ческие свойства. Наконец, гибридный метод активации сочетает в себе методы рождающихся и спящих элемен- тов, где активируется только текущий слой осаждения и устанавливается в спящее состояние, а все последующие слои деактивируются [29]. В расчетной программе ис- пользуется технология «смерти» и последующего «оживления» (Elements Birth and Death) элементов [30; 31]. При этом в качестве расчётной рассматривается об- ласть, занимаемая уже готовым изделием. Наращивание материала производится дискретно. На каждом подэтапе расчёта, соответствующем «оживлению» очередной по- добласти из «мертвых» элементов, решается краевая за- дача теплопроводности и механики деформированного твёрдого тела, причём результат решения предыдущего подэтапа служит начальными условиями для последую- щего. Существует два подхода к решению этих краевых за- дач. Первый подход – решение связанной задачи в неста- ционарном режиме, который заключается в использова- нии конечных элементов, имеющих в качестве степеней свободы как температуру, так и перемещения. Однако такой подход содержит в себе определенные недостатки, в том числе неустойчивость решения и большие требова- ния к вычислительным ресурсам. Другим подходом является анализ теплопроводности в нестационарном ре- жиме с последующим анализом упругопластических де- формаций [32]. Другими словами, сначала численно ре- шается задача нестационарной теплопроводности, затем температурное поле импортируется в термомеханиче- скую модель в качестве нагрузки для расчёта напряже- ний и деформаций. Для обеспечения большей эффектив- ности вычислений используется принцип, при котором одновременно активируются несколько групп элемен- тов, соответствующих последовательности нескольких подэтапов [33; 34].

About the authors

O. Yu. Smetannikov

Perm National Research Polytechnic University

M. R. Bekmansurov

Perm National Research Polytechnic University, UEC-Aviadvigatel

G. V. Ilinykh

Perm National Research Polytechnic University

K. A. Dongauzer

UEC-Aviadvigatel

References

  1. Overview of modelling and simulation of metal powder bed fusion process at Lawrence Livermore National Laboratory / W. King, A. Anderson, R. Ferencz, N. Hodge, C. Kamath, S. Khairallah // Material Science and Technology. – 2015. – Vol. 31, no. 8. – P. 957–968.
  2. Numerical simulation of welding distortion in laser metal deposition additive manufacturing process / K. Dongauzer, M. Boyarshinov, M. Bekmansurov, D. Shamov // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 910. – P. 338–343. 10.4028/p-3s97k6
  3. Донгаузер К.А., Бояршинов М.Г., Бекмансуров М.Р. Численное моделирование деформаций в аддитивном техноло- гическом процессе лазерной порошковой наплавки // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 68. – С. 30–37.
  4. Сметанников О.Ю., Максимов П.В., Трушников Д.Н. Исследование влияния параметров процесса 3D-наплавки про- волочных материалов на формирование остаточных деформа- ций // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2019. – № 2. – С. 181–194.
  5. Корсмик Р.С. Формирование наплавленного металла при лазерной наплавке и прямом лазерном выращивании с при- менением проволок // Znanstveba Misel. – 2019. – № 2-1 (27). – С. 41–49.
  6. Шаронова Н.И., Рыков Е.В., Осипов С.Г. Технология восстановления деталей ГТД на специализированной отече- ственной установке для порошковой лазерной наплавки // Наука-производству. – 2017. – С. 137–148.
  7. Ельцов В.В., Потехин В.П., Дитенков О.А. Математиче- ское моделирование процесса формирования усадочного кратера при наплавке // Сварочное производство. – 2012. – № 1. – С. 9–16.
  8. Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in wide-band laser surface melting processing / C. Li, Y. Wang, H. Zhan, T. Han, B. Han, W. Zhao // Materials Design. – 2010. – Vol. 31, no. 7. – P. 3366–3373. doi: 10.1016/j.matdes.2010.01.054
  9. Омелин А.А. Исследование моделирования процесса лазерной наплавки сплавов на никелевой основе // Электрофи- зические методы обработки в современной промышленности: материалы 4-й Международной научно-практической конфе- ренции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Пермь, 2021. – С. 320–325.
  10. Ma L., Bin H. Temperature and stress analysis and simulation in fractal scanning based laser sintering // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2007. – Vol. 34, no. 9. – P. 898–903.
  11. Experimental and numerical analysis of residual stresses in additive layer manufacturing by laser melting of metal powders / Ibiye A. Roberts [et al.] // Key Engineering Materials. – 2011. – Vol. 450. – pp. 461-465.
  12. Investigation of residual stresses in selective laser melting / L. Parry, I. Ashcroft, D. Bracket, R.D. Wildman // Key Engineering Materials. – 2015. – Vol. 627. – P. 129-132.
  13. Войнов П.С., Беленький В.Я., Белинин Д.С. Возмож- ности применения аддитивных технологий при конструирова- нии и производстве вооружения, военной и специальной тех- ники // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 70–78.
  14. Корсмик Р.С., Туричин Г.А., Климова-Корсмик О.Г. Лазерная порошковая восстановительная наплавка лопаток га- зотурбинного двигателя // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2016. – Т. 15, № 3.
  15. Abhijit Singh, Ananya Nath, Shibendu Shekhar Roy Modeling of laser aided direct metal deposition of stainless steel using supervised deep learning algorithms // Materials today proceeding. – 2022. – Vol. 2, part 1. – P. 360–366.
  16. Петрова М.П., Кукушкин А.А. Исследование возмож- ности применения лазерной наплавки для восстановления из- носа плунжера топливного насоса высокого давления // Исто- рия и перспективы развития транспорта на севере России. – 2019. – № 1. – С. 97–99.
  17. Крылова С.Е., Завьялов В.А., Оплеснин С.П. Обеспе- чение эксплуатационных характеристик оборудования нефте- газодобывающей отрасли на основе совершенствования техно- логии газопорошковой лазерной наплавки // Вестник современ- ных технологий. – 2019. – № 1 (13). – С. 19–25.
  18. Рахимов Р.Р., Саубанов Р.Р., Звездин В.В. Технологи- ческое обеспечение качества поверхности при лазерной наплавке с использованием плазменной очистки // Низкотемпе- ратурная плазма в процессах нанесения функциональных по- крытий. – 2019. – Т. 1, № 10. – С. 294–298.
  19. An experimental investigation into additive manufacturing- induced residual stresses in 316L stainless steel / A. Wu, D. Brown, M. Kumar, G. Gallegos, W. King // Metall. Mater. Trans. – 2014. – Vol. 45A. – P. 1–11.
  20. Baufeld B., Van der Biest O., Gault R. Additive manufacturing of Ti–6Al–4V components by shaped metal deposition: Microstructure and mechanical properties // Materials Design. – 2010. – Vol. 31. – P. 106–111.
  21. Macroscopic modelling of the selective beam melting process / D. Riedlbauer, J. Mergheim, A. McBride, P. Steinmann // Proc. Appl. Math. Mech. – 2012. – Vol. 12, no. 1. – P. 381–382.
  22. Никитюк Ю.В., Баевич Г.А., Мышковец В.Н. Приме- нение метода конечных элементов и искусственных нейронных сетей для определения параметров лазерной обработки стали 12Н18Н9Т // Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. – 2022. – № 1(88). – С. 48–55.
  23. A multiscale modeling approach for fast prediction of part distortion in selective laser melting / C. Li, C. Fu, Y. Guo, F. Fang // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 229. – P. 703–712. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.10.022
  24. Yuan M.G., Ueda Y. Prediction of residual stresses in welded T- and I-joints using inherent strains // Journal of Engineering Materials and Technology. – 1996. – Vol. 118, no. 2. – P. 229– 234. doi: 10.1115/1.2804892
  25. Printability of alloys for additive manufacturing / T. Mukherjee, J.S. Zuback, A. De, T. Debroy // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – Article No. 9717. doi: 10.1038/srep19717
  26. Mitigation of thermal distortion during additive manufacturing / T. Mukherjee, V. Manvatkar, A. De, T. DebRoy // Scripta Materialia. – 2017. – Vol. 127. – P. 79–83. doi: 10.1016/j.scriptamat. 2016.09.001.
  27. Toward an integrated computational system for describing the additive manufacturing process for metallic materials / R. Martukanitz, P. Michaleris, T. Palmer, T. DebRoy, Z.-K. Liu, R. Otis [et al.] // Additive Manufacturing. – 2014. – Vol. 1. – P. 52–63. doi: 10.1016/j.addma.2014.09.002
  28. Michaleris P. Modeling metal deposition in heat transfer analyses of additive manufacturing processe // Finite Elements in Analysis and Design. – 2014. – Vol. 86. – P. 51–60. doi: 10.1016/j.finel.2014.04.003
  29. Denlinger E.R., Michaleris P. Effect of stress relaxation on distortion in additive manufacturing process modeling // Additive Manufacturing. – 2016. – Vol. 12. – P. 51–59.
  30. Мальцев А.С., Максимов П.В. Численное моделиро- вание контактных напряжений в платиках при клеевом и сва- рочном соединении элементов маятникового акселерометра // Математика и междисциплинарные исследования – 2020: мате- риалы всероссийской научно-практической конференции мо- лодых ученых с международным участием. – Пермь, 2020. – С. 112–115.
  31. Муругова О.В., Никифоров Р.В. Новые разработки в области компьютерных расчетов для производства сварных конструкций // Станкостроение и инновационное машиностро- ение. Проблемы и точки роста: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Уфа, 2019. – С. 393–397.
  32. Labudovic M., Hu D., Kovacevic R. A three dimensional model for direct laser metal powder deposition and rapid prototyping // Journal of Materials Science. – 2003. – Vol. 38, no. 1. – P. 35–49.
  33. Korner C. Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting – a review // International Materials Reviews. – 2016. – Vol. 61, no. 5. – P. 361–377.
  34. Computational modeling of residual stress formation during the electron beam melting process for Inconel 718 / P. Prabhakar, W. Sames, R. Dehoff, S. Babu // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 7. – P. 83–91. doi: 10.1016/j.addma.2015.03.003
  35. Лупин Г.А. Принципы измерений при помощи опти- ческой координатно-измерительной топометрической системы ATOS // Биотехнические, медицинские и экологические си- стемы, измерительные устройства и робототехнические ком- плексы (биомедсистемы-2021): сборник трудов 34-й Всерос- сийской научно-практической конференции студентов, моло- дых ученых и специалистов. – Рязань, 2021. – С. 304–308.
  36. Решетникова О.В. Сравнительный анализ перспективных контактных и бесконтактных средств контроля // Юность и знания – гарантия успеха – 2019: сборник научных трудов 6-й Международ- ной молодежной научной конференции. – Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. – Т. 3. – С. 283–285.

Statistics

Views

Abstract - 234

PDF (Russian) - 170

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Smetannikov O.Y., Bekmansurov M.R., Ilinykh G.V., Dongauzer K.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies