Effect of temperature dependent properties in thermo-mechanical simulation of powder bed fusion process
Westman, Sami (2022)
Diplomityö
Westman, Sami
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022111065095
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022111065095
Tiivistelmä
L-PBF is an Additive Manufacturing method where material is melted in a controlled manner. The process is technically challenging with high probability of defects in the structure and problems in the process itself if the design has not been validated beforehand. Validation can be done by test prints, which is slow and expensive, or, alternatively using process simulation. Simulation results are dependent on the material properties. Simple material mode has no temperature dependencies. Material is heated to melting temperature in, which also changes the properties of the material. The purpose of this thesis is to find out how the temperature dependencies affect the simulation and the results.
Test simulations were conducted using several material models for CX stainless steel with varying activating and deactivating temperature dependant properties other parameters and properties were identical. Simulations were performed using thermo-mechanical analysis. Residual stresses and displacement results were collected from the specimen attached to the build plate and from partially cut specimen. Simulation duration was also monitored and analysed. Temperature dependant properties studied were yield strength, Poisson’s ratio, young’s modulus, thermal expansion, specific heat and thermal conduction.
Similar behaviour was noticed between residual stress and displacement where both values would increase or decrease depending on properties, with a few exceptions (Poisson’s ratio). Material properties related to the thermal analysis had minimal effect on the mechanical results. Duration of the simulation increased in each case when only one thermal dependency was used but had little change if all were used, so TD synergies should be considered.
Effects on the results could be large depending on the property with the temperature dependency but it would not always increase the simulation duration. Largest effect on mechanical results were with yield strength and young’s modulus. Jauhepetitulostus on lisäävän valmistuksen menetelmä missä materiaalia sulatetaan kontrolloidusti. Prosessi on teknisesti haastava ja siinä on suuri todennäköisyys vikoihin rakenteessa ja ongelmiin prosessissa, jos mallia ei ole varmennettu etukäteen. Varmennus voidaan suorittaa testitulosteilla, jotka ovat hitaita ja kalliita tai vaihtoehtoisesti prosessisimulaatiolla. Simulaatiotulokset ovat riippuvaisia materiaalimallista. Yksinkertainen materiaalimalli ei yleensä sisällä lämpötilariippuvuuksia. L-PBF lämmittää materiaalia sulattaakseen sen, jolloin materiaaliominaisuudet muuttuvat. Tämän työn tarkoituksena on tutkia miten lämpötilariippuvuudet vaikuttavat simulaatiotuloksiin.
Testisimulaatiot suoritettiin usealla CX ruostumattoman teräksen materiaalimallilla, joissa oli vaihtelevasti aktivoidut tai deaktivoidut lämpötilariippuvuudet mutta muut parametrit pysyivät identtisinä. Simulaatiomenetelmänä käytettiin lämpömekaanista analyysia. Jäännösjännitykset ja siirtymät kerättiin tulostusalustaan kiinnitetystä mallista ja alustasta poiston jälkeen. Kaikista simulaatioista tallennettiin ratkaisuajat ja iteraatiokierrokset. Lämpötilariippuvaiset materiaaliominaisuudet olivat myötölujuus, poissonin vakio, kimmokerroin, lämpölaajeneminen, ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtuvuus.
Tuloksissa huomattiin vastaavia muutoksia, kun verrattiin lisättyä ja poistettua lämpötilariippuvuutta muutamalla poikkeuksella (Poissonin vakio). Lämpöanalyysin ominaisuuksilla oli minimaaliset vaikutuksen mekaanisen analyysin tuloksiin. Simulaation kesto piteni jokaisella yksittäisellä lämpötilariippuvuudella mutta ei muuttunut, jos kaikkia käytettiin.
Lämpötilariippuvuuksien vaikutukset tuloksiin saattoivat olla suuria, mutta eivät aina lisänneen simulaation kestoa. Suurimmat vaikutukset mekaanisiin tuloksiin oli myötölujuudella kimmokertoimella.
Test simulations were conducted using several material models for CX stainless steel with varying activating and deactivating temperature dependant properties other parameters and properties were identical. Simulations were performed using thermo-mechanical analysis. Residual stresses and displacement results were collected from the specimen attached to the build plate and from partially cut specimen. Simulation duration was also monitored and analysed. Temperature dependant properties studied were yield strength, Poisson’s ratio, young’s modulus, thermal expansion, specific heat and thermal conduction.
Similar behaviour was noticed between residual stress and displacement where both values would increase or decrease depending on properties, with a few exceptions (Poisson’s ratio). Material properties related to the thermal analysis had minimal effect on the mechanical results. Duration of the simulation increased in each case when only one thermal dependency was used but had little change if all were used, so TD synergies should be considered.
Effects on the results could be large depending on the property with the temperature dependency but it would not always increase the simulation duration. Largest effect on mechanical results were with yield strength and young’s modulus.
Testisimulaatiot suoritettiin usealla CX ruostumattoman teräksen materiaalimallilla, joissa oli vaihtelevasti aktivoidut tai deaktivoidut lämpötilariippuvuudet mutta muut parametrit pysyivät identtisinä. Simulaatiomenetelmänä käytettiin lämpömekaanista analyysia. Jäännösjännitykset ja siirtymät kerättiin tulostusalustaan kiinnitetystä mallista ja alustasta poiston jälkeen. Kaikista simulaatioista tallennettiin ratkaisuajat ja iteraatiokierrokset. Lämpötilariippuvaiset materiaaliominaisuudet olivat myötölujuus, poissonin vakio, kimmokerroin, lämpölaajeneminen, ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtuvuus.
Tuloksissa huomattiin vastaavia muutoksia, kun verrattiin lisättyä ja poistettua lämpötilariippuvuutta muutamalla poikkeuksella (Poissonin vakio). Lämpöanalyysin ominaisuuksilla oli minimaaliset vaikutuksen mekaanisen analyysin tuloksiin. Simulaation kesto piteni jokaisella yksittäisellä lämpötilariippuvuudella mutta ei muuttunut, jos kaikkia käytettiin.
Lämpötilariippuvuuksien vaikutukset tuloksiin saattoivat olla suuria, mutta eivät aina lisänneen simulaation kestoa. Suurimmat vaikutukset mekaanisiin tuloksiin oli myötölujuudella kimmokertoimella.