شبيه‌سازي اجزاء محدود فرآيند ذوب انتخابي با ليزر براي ساخت يك قطعه نمونه تحت شرايط تكيه‌گاهي مختلف

Finite element simulation of selective laser melting process for fabrication of a sample part under various support conditions

روش‌هاي ساخت افزودني و يا چاپ سه‌بعدي به‌ صورت روزافزون در ساخت قطعات سه‌بعدي موردتوجه قرار گرفته‌اند و در سال‌هاي اخير توجه ويژه‌اي به آن دسته از روش‌هايي شده است كه با مواد فلزي كار مي‌كنند. فرآيند ذوب انتخابي با ليزر يكي از روش‌هاي ساخت افزودني در توليد قطعات فلزي محسوب مي‌شود. اين روش، ‌به‌صورت خاص براي توليد قطعات فلزي كه نياز است بيش از 99 درصد چگال باشند، توسعه داده ‌شد. در اين روش، سطح لايه‌ي پودر فلزي، توسط ليزر، مطابق يك الگوي مشخص اسكن شده و در محل تابش ليزر، يك حوضچه مذاب موضعي (انتخابي) شكل مي‌گيرد كه پس از انجماد، يك لايه چگال را نتيجه مي‌دهد. در اين پژوهش، شبيه‌سازي نيمه‌كوپل ترمومكانيكي فرآيند ذوب انتخابي با ليزر به روش اجزاء محدود در نرم‌افزار آباكوس انجام مي‌شود. براي شبيه‌سازي شار متحرك ليزر و بروز رساني خواص مادي، از پودر به جامد چگال، از قابليت زيربرنامه‌نويسي در نرم‌افزار‌ استفاده مي‌شود. هدف اصلي از اين شبيه‌سازي، بررسي توزيع تنش‌هاي پسماند و اعوجاج قطعه ساخته‌شده به روش ذوب انتخابي با ليزر است. نتايج كه براي دو شرط مرزي مكانيكي مختلف ارائه‌شده است، نشان مي‌دهد هنگامي‌كه كف لايه گيردار است، سطح فوقاني لايه ساخته‌شده، به‌صورت مقعر تغيير شكل مي‌دهد و براي حالتي كه وجوه جانبي لايه، داراي تكيه‌گاه‌هاي ساده باشند و سطح زيرين آن آزاد باشد، قطعه تاب بر مي‌دارد.

Additive manufacturing methods and/or 3D printing have become increasingly popular with particular emphasis on methods used for metallic materials. Selective Laser Melting (SLM) process is one of the additive manufacturing methods for production of metallic parts. The method was developed specifically to process metal parts that need to be more than 99 percent dense. In this method, according to a predefined pattern, the top surface of the powder layer is scanned by the laser and a local (selective) melt pool is produced in the place of the laser spot which results in a fully dense layer after solidification. In this study, a semi-coupled thermo-mechanical simulation of SLM process is carried out in ABAQUS finite element software. In order to simulate the moving heat flux and update material properties from the powder to the dense solid, the ability of the software for employing user-defined subroutines is used. Investigation of the residual stress distribution and distortion of a part built using SLM process are the main objectives of this simulation. Results presented for two different mechanical boundary conditions show that when the bottom face of the layer is clamped, the top face of the built layer deforms in a concave shape, while the lateral faces of the layer have simply-supported boundary conditions and the bottom face of the layer is free, the part is warped.