Расчет компенсации коробления от действия остаточных напряжений в аддитивном производстве

Машиностроение и машиноведение

2024. Т. 31. № 1. С. 215-225.

Авторы

Хаймович А. И.*, Балякин А. В.**, Олейник М. А.***, Степаненко И. С.****, Мешков А. А.*****

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: berill_samara@bk.ru
**e-mail: balaykinav@ssau.ru
***e-mail: oleynik1997@mail.ru
****e-mail: iliya.stepanenko@gmail.com
*****e-mail: artem92-42dml@yandex.ru

Аннотация

При аддитивном производстве необходимо учитывать и компенсировать коробление детали вследствие действия остаточных напряжений. Одним из эффективных быстрых методов расчета величины короблений в CAE-системах является механический конечно-элементный анализ, не требующий многочисленных итераций. Для обеспечения точности расчетов в САЕ-системах их необходимо калибровать на специальных образцах. В работе предложена методика такой калибровки на кольцевых образцах для процесса прямого лазерного выращивания (ПЛВ), результатом которой являются значения внутренних деформаций, необходимых для расчета деформаций деталей при ПЛВ.

С помощью САЕ-системы Simufact Additive была спроектирована цифровая модель процесса ПЛВ и проведено моделирование действия остаточных напряжений. На основе полученных результатов сравнения с натурными образцами скорректированы расчетные параметры, которые можно применить для оптимизации геометрии заготовок деталей с учетом особенностей процесса ПЛВ.

Ключевые слова:

аддитивное производство, прямое лазерное выращивание, деформации после выращивания, остаточные напряжения в структуре материала, метод конечных элементов, хромоникелевый жаропрочный сплав ЭП648, регрессионный анализ, калибровка САЕ-системы

Библиографический список

  1. Олейник М.А., Балякин А.В., Скуратов Д.Л., Петров И.Н., Мешков А.А. Влияние режимов прямого лазерного выращивания на формообразование одиночных валиков и стенок из жаропрочного сплава ХН50ВМТЮБ // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 243–255. DOI: 10.34759/vst-2022-4-243-255

  2. Балякин А.В., Скуратов Д.Л., Хаймович А.И., Олейник М.А. Применение прямого лазерного сплавления металлических порошков из жаропрочных сплавов в двигателестроении // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 3. С. 202–217. DOI: 10.34759/vst-2021-3-202-217

  3. Маликов А.Г., Голышев А.А., Витошкин И.Е. Современные тенденции лазерной сварки и аддитивных технологий (обзор) //Прикладная механика и техническая физика. 2023. Т. 64. № 1. С. 36–59. DOI: 10.15372/pmtf202215159

  4. Moat R.J., Pinkerton A., Hughes D. et al. Stress distributions in multilayer laser deposited Waspaloy parts measured using neutron diffraction // 26th International Congress on Applications of Lasers and Electro-optics (ICALEO, 29 October - 1 November 2007). DOI: 10.2351/1.5060984

  5. Ерофеев В.А., Логвинов Р.В., Нестеренков В.М. Особенности использования эквивалентного источника теплоты при учете деформаций и напряжений в процессе электронно-лучевой сварки // Сварка и диагностика. 2010. № 4. С. 22–26.

  6. Потапов С.Д., Перепелица Д.Д. Исследование влияния остаточных напряжений в зоне расположения трещины на скорость ее роста при циклическом нагружении // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 1. С. 104–110.

  7. Liu F., Lin X., Yang  G. et al. Microstructure and residual stress of laser rapid formed Inconel 718 nickel-base superalloy // Optics & laser technology. 2011. Vol. 43. No. 1, pp. 208-213. DOI:10.1016/j.optlastec.2010.06.015

  8. Shamsaei N., Yadollahi A., Bian L., Thompson S.M. An overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; Part II: Mechanical behavior, process parameter optimization and control // Additive Manufacturing. 2015. Vol. 8, pp. 12-35. DOI: 10.1016/j.addma.2015.07.002

  9. Петров М. А., Матвеев А. Г., Петров П. А., Сапрыкин Б. Ю. Расчет и анализ процессов объемной штамповки с вращающимся инструментом при помощи конечно-элементного моделирования // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 1. С. 226–244. DOI: 10.34759/vst-2022-1-226-244

  10. Khaimovich A.  Balaykin A.,  Oleynik M. et al. Optimization of Process Parameters for Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Using a Linear Programming Method: A Conceptual Framework // Metals. 2022. Vol. 12. No. 11: 1976. DOI: 10.3390/met12111976

  11. Labudovic M.A., Hu M.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, pp. 35-49. DOI: 10.1023/A:1021153513925

  12. Pratt P., Felicelli S.D., Wang L., Hubbard C. Residual stress measurement of laser-engineered net shaping AISI 410 thin plates using neutron diffraction // Metallurgical and Materials Transactions A. 2008. Vol. 39. No. 13, pp. 3155-3163. DOI: 10.1007/s11661-008-9660-9

  13. Ueda Y., Murakawa H., Ma N. Welding Deformation and Residual Stress Prevention. - Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2012. – ‎ 312 p. DOI: 10.1016/C2011-0-06199-9

  14. Wang L,, Felicelli S.D., Pratt P. Residual stresses in LENS-deposited AISI 410 stainless steel plates // Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 496. Nos. 1-2, pp. 234-241. DOI: 10.1016/j.msea.2008.05.044

  15. Setien I., Chiumenti M., van der Veen S. et al. Empirical methodology to determine inherent strains in additive manufacturing // Computers & Mathematics with Applications. 2019. Vol. 78. No. 7, pp. 2282-2295. DOI: 10.1016/j.camwa.2018.05.015

  16. Vrancken B. Study of residual stresses in selective laser melting. PhD Thesis. Belgium, Katholieke Universiteit Leuven, 2016.

  17. Liang X., Cheng L., Chen Q., Yang Q. A modified method for estimating inherent strains from detailed process simulation for fast residual distortion prediction of single-walled structures fabricated by directed energy deposition // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 23. No. 2, pp. 471-486. DOI: 10.1016/j.addma.2018.08.029

  18. Chen Q., Liang X., Hayduke D. An inherent strain based multiscale modeling framework for simulating part-scale residual deformation for direct metal laser sintering // Additive Manufacturing. 2019. Vol. 28, pp. 406-418. DOI: 10.1016/j.addma.2019.05.021

  19. Keller N., Ploshikhin V. New method for fast predictions of residual stress and distortion of AM parts // 25th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium (SFF, 4-6 August 2014; Austin, Texas). Vol. 25, pp. 1229-1237.

  20. Liang X., Cheng L., Chen Q. et al. A modified method for estimating inherent strains from detailed process simulation for fast residual distortion prediction of single-walled structures fabricated by directed energy deposition // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 23. No. 2. DOI: 10.1016/j.addma.2018.08.029

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024