Моделирование теплофизических процессов в порошках металлов при селективном лазерном плавлении

Объект исследования – порошковые металлические материалы, подвергающиеся высокоэнергетическому тепловому воздействию лазером. Предмет исследования – нестационарный теплоперенос и процессы усадки при лазерной обработке порошковых металлических материалов.Методология и методы исследования: Для изучения процесса СЛП использовались методы и подходы математического моделирования. Описание сложных закономерностей в объекте проводилось методами вычислительной механики и теплофизики сплошных сред. Численное моделирование дифференциальных уравнений в частных производных осуществлялось с помощью метода конечных элементов (МКЭ), метода взвешенных невязок в классической постановке Галеркина, модифицированного метода Ньютона-Рафсона, метода Ньютона-Канторовича.Полученные результаты и их научная новизна: Предложена комплексная математическая модель для описания нестационарного теплопереноса, компактирования и усадки металлических порошков, позволяющая с высокой вычислительной эффективностью моделировать технологию СЛП ИЛ металлических порошков, с учетом фазовых переходов, тепловых потерь. Разработана феноменологическая модель для определения периода и частоты лазерной импульсной генерации при СЛП высокодисперсного порошка железа, которая обеспечивает равномерную термическую обработку порошкового слоя. Построены диаграммы для определения рациональных режимов лазерной обработки при СЛП миллисекундным ИЛ высокодисперсного порошка железа, позволяющие оценивать качество обработки: степень повторного оплавления предыдущих слоев, максимальные температуры лазерной обработки, разрешающая способность печати, шероховатость боковых поверхностей изделия и скорость объемной печати изделий. Разработан алгоритм реализации модели СЛП ИЛ для высокоскоростных расчетов за счет обоснованных допущений, сделанных в математической модели. Разработан алгоритм определения зоны активного конвективного перемешивания в подложке с помощью параметров построения указанной зоны. Разработана программа для ЭВМ, впервые реализующая развитый алгоритм комплексного описания нестационарных полей температуры, удельной энтальпии, остаточной пористости и усадки порошка железа в процессе СЛП импульсным миллисекундным лазером. Область применения: Разработанная программа ЭВМ для моделирования СЛП, а также полученные диаграммы для установления рациональных режимов лазерной обработки могут использоваться при внедрении ИЛ обработки порошков металлов на практике, позволяя подбирать оптимальные режимы обработки и настраивать оборудование для объемной печати изделий методом СЛП под конкретную задачу производства.