Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Aditivní výroba – simulace od začátku do konce

Aditivní výroba nástrojů s využitím procesu spékání kovového prášku (LPBF – Laser Powder Bed Fusion) poskytuje velké množství výhod: je úsporná, přesná a umožňuje realizovat nástroje na míru. Je však nutné říci, že určit optimální technologické parametry, jako jsou rychlost skenování nebo výkon laseru, může být obtížné. Výzkumníci Fraunhoferova ústavu nyní dokážou proces simulovat na úrovni mikrostruktury, aby identifikovali přímé korelace mezi vlastnostmi výrobku a vybranými parametry procesu. K tomu kombinují několik různých simulačních metod.

 

Aditivní výroba (3D tisk) nabízí mnoho výhod. Dokáže ušetřit energii a materiál, umožňuje realizovat složité tvary komponent a přizpůsobit je podle požadavků zákazníka. Proces laserového spékání kovového prášku, ve zkratce LPBF (Laser Powder Bed Fusion), je široce používaná technologie aditivní výroby komponent a nástrojů: dovoluje zkrátit inovační cykly a dosáhnout velké hospodárnosti výroby. Princip spočívá v tom, že se vrstva kovového prášku o tloušťce až 50 μm velmi přesně zahřívá laserovým paprskem. Prášek se roztaví, částice se spečou, a jakmile se laser posune dál, tavenina ztuhne. V oblastech, kde na vrstvu prášku laser nepůsobí, prášek se neroztaví a nespeče. Tento proces se mnohokrát opakuje, což způsobuje, že komponenta vrstvu po vrstvě roste do výšky.

Je důležité, aby hotová komponenta nebyla pórovitá a aby se každá nově nanášená vrstva pevně navázala na vrstvu předchozí. Toho je dosaženo úpravou technologických parametrů, jako jsou rychlost skenování a výkon laseru. Pro mechanické vlastnosti výrobku je zvláště důležitá mikrostruktura kovových zrn. Jejich orientace, velikost a tvar mají značný vliv na modul pružnosti materiálu i na mez pevnosti v kluzu – tj. zatížení, nad nímž se materiál plasticky deformuje.

Otázka tedy zní: jak technologický proces řídit tak, aby výsledná mikrostruktura byla optimální pro budoucí podmínky po­užití komponenty? Kromě toho jsou výrobky často zhotovovány z různých kovových slitin: oceli, slitin hliníku nebo slitin titanu s různým složením a poměrem složek. Každá slitina má jiné vlastnosti a tvoří jiné mikrostruktury. Nalezení optimálních provozních parametrů a materiálů a jejich vzájemné přizpůsobení byly až dosud předmětem fyzických experimentů, a proto časově náročné.

Výzkumníci z Fraunhoferova ústavu pro mechaniku materiálů IWM nyní k věci přistupují jinak. „Vzhledem k tomu, že se proces LPBF vzhledem k používání stále nových materiálů a rostoucím požadavkům na výrobky stává velmi složitým, rozhodli jsme se celý proces nasimulovat,“ vysvětluje Dr. Claas Bierwisch, vedoucí týmu IWM. „To nám umožňuje nejen zkrátit zkušební cykly, ale také rychle a efektivně vyhodnotit odchylky v celkovém procesu a eliminovat nežádoucí efekty během výroby.“

Důležité je, že výzkumníci zkombinovali různé simulační metody. Pomocí metody diskrétních prvků se nejprve simuluje, jak se jednotlivé práškové částice ve stavební komoře 3D tiskárny distribuují pomocí speciálního nanašeče. Dále se metodou SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) vypočítá způsob, jakým se práškové částice roztaví – v úvahu se bere působení laseru a vedení tepla, stejně jako povrchové napětí, které má vliv na roztečení taveniny. Výpočet také zohledňuje gravitaci a zpětný tlak, ke kterému dochází při odpařování materiálu.

Simulace musí rovněž popsat mikrostrukturu materiálu, aby bylo možné předvídat jeho mechanické vlastnosti. „Pro analýzu této mikrostruktury jsme začlenili další simulační metodu, známou jako celulární automat. Ten popisuje růst kovových zrn jako funkci teplotního gradientu,“ vysvětluje Bierwisch. Je to proto, že teploty v místě dopadu laserového paprsku mohou dosáhnout až 2 700 K. Laser roztaví prášek jen v okruhu několika milimetrů, ostatní materiál je chladný. Navíc se laser pohybuje nad vrstvou prášku rychlostí až několik metrů za sekundu. Výsledkem je, že se materiál velmi rychle zahřívá, ale poté během několika milisekund znovu ochladne. Vše uvedené má vliv na to, jak se vytváří mikrostruktura materiálu. Posledním krokem je simulace metodou konečných prvků. Výzkumný tým ji využívá k simulování zkoušek v tahu v různých směrech na reprezentativním objemovém prvku materiálu, aby zjistil, jak bude materiál reagovat na zatížení.

„Ve fyzickém experimentu můžeme studovat pouze konečný výsledek, zatímco v simulaci můžeme sledovat, co se děje v průběhu času. Jinými slovy, zkoumáme závislost mezi technologickým procesem a strukturou materiálu. Jestliže například zvýšíme výkon laseru, mikrostruktura se změní. To zase významně ovlivňuje mez kluzu materiálu. Kvalita simulačních experimentů je zcela odlišná od toho, co je možné realizovat při fyzickém experimentu,“ doplňuje Bierwisch.

[Tisková zpráva Fraunhofer IWM, únor 2022.]

(Bk)

 

Obr. 1. Simulace tvorby sloupcové mikrostruktury v tavenině

Obr. 2. Simulace procesu LPBF s výskytem defektů při spékání a se zbytkovou porozitou

Obr. 3. Raytracing simulace procesu LPBF

Obr. 4. Simulace procesu LPBF s barevně animovaným teplotním polem