Новый «цифровой двойник» лазера

Jun 14, 2023

Исследователи разрабатывают систему анализа численной обработки, которая автоматически определяет оптимальные условия формовки.

Токийский научный университет

Изображение: Исследовательская группа продемонстрировала, что LDED превосходит другие методы ремонта с точки зрения межфазной прочности и механических свойств.посмотреть больше

Фото: Масаюки Араи из Токийского научного университета.

Механические детали промышленных машин и конструкций, в которых появляются истончения или трещины, необходимо заменять новыми. В последние годы рассматривались попытки их ремонта с целью повышения устойчивости промышленности. Таким образом, технология ремонта машин стала горячей темой исследований и разработок. При обычном изготовлении металла с помощью 3D-печати используется поверхность механически уложенного порошкового слоя, который облучается лазером или электронным лучом для расплавления металлических частиц и их сплавления. Однако этот метод требует громоздкого производственного оборудования. Кроме того, после процесса изготовления выбрасывается большое количество металлического порошка. Однако лазерно-направленное энерговыделение (LDED) является многообещающей технологией, которая решает эти проблемы. В этом методе металлические порошки наносятся в фокусе лазерного луча, затем плавятся и складываются друг в друга.

Преимущества LDED связаны не только с компактностью оборудования, но и со значительным сокращением отходов металлического порошка. Кроме того, эта технология позволяет изготавливать на месте металлический порошок трехмерной формы на поверхности подложки. Это означает, что его можно использовать и для ремонта машин из металла!

Группа исследователей, в которую входят профессор Масаюки Араи с факультета машиностроения инженерного факультета Токийского научного университета (TUS), Япония, г-н Тошиказу Мурамацу, также из TUS, и доктор Киёхиро Ито с факультета механики и машиностроения. Электротехника Научного университета Сувы, Япония, в сотрудничестве с Лабораторией разработки технологий термического напыления компании TOCALO Co. Ltd., Япония, разработала методику ремонта с использованием LDED. «С помощью нашей технологии форму поверхности металлоконструкции можно полностью восстановить на месте, а утилизацию металлического порошка, необходимого для ремонта, можно существенно сократить. Однако оптимальные условия формовки необходимы для широкого применения этой технологии в до сих пор отрасль должна была определяться методом проб и ошибок», — объясняет профессор Араи, который активно участвует в исследованиях механики повреждений и технологий ремонта.

В недавней статье, опубликованной в журнале Journal of Thermal Spray Technology 23 ноября 2022 года, исследователи разработали математическую модель LDED, которая автоматически генерирует область осаждения металлического порошка с использованием алгоритма «смертельного рождения», устраняя догадки, необходимые для оптимизации производства. «Модель теплового излучения и теплопроводности и конститутивная модель вязкопластики-термопластики применяются к сложенным друг на друга элементам, составляющим область осаждения, так что можно точно смоделировать широкий диапазон изменений состояния от плавления до затвердевания осажденного слоя металлического порошка. Включив эти модели в программу анализа методом конечных элементов, мы разработали новую систему анализа обработки, которая никогда раньше не использовалась», - отмечает профессор Араи. Команда численно смоделировала процесс восстановления и, таким образом, заранее спрогнозировала условия процесса формования, распределение температуры, состояние деформации и распределение остаточных напряжений, а также проверила результаты с помощью экспериментов. Они обнаружили, что остаточные напряжения в наплавленном слое были намного ниже, чем те, которые получаются с помощью традиционных процессов ремонта.

Эта новая система численного анализа 3D-обработки является цифровым двойником существующей технологии обработки стержня, основанной на плавлении металла в ремонтируемой области. Разработанный здесь метод численного анализа может быть применен в будущем для различных промышленных применений, таких как планирование ремонта кавитационного утонения на поверхности лопатки циркуляционного насоса электростанции и разработка метода уменьшения остаточной деформации после ремонта утонения кончик лопасти ротора газовой турбины. В совокупности функции автоматизации и заблаговременного прогнозирования условий процесса с помощью системы численного анализа обработки делают трехмерное изготовление многослойного металла с помощью технологии ремонта LDED более эффективным, а также с эффективным управлением ресурсами для повышения его устойчивости.