Optimización del diseño y validación del modelo de elementos finitos de vigas estructuradas en red impresas por LPBF
Autores: Rashid, Riyan; Masood, Syed; Ruan, Dong; Palanisamy, Suresh; Huang, Xiaodong; Rahman Rashid, Rizwan Abdul
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
Categoría
Ciencias de los Materiales
Subcategoría
Materiales estructurales
Palabras clave
Fusión de lecho de polvo láser
Fusión selectiva por láser
Fabricación aditiva
Optimización topológica
Rendimiento mecánico
Vigas de celosía
Licencia
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Consultas: 7
Citaciones: Sin citaciones
El método de fusión de lecho de polvo por láser (LPBF), más comúnmente conocido como fusión selectiva por láser (SLM), es uno de los procesos de fabricación aditiva de metal (AM) más comunes. Es un proceso de fabricación capa por capa donde cada capa de polvo se funde y se fusiona mediante un rayo láser, que atraviesa la sección transversal de la geometría de la pieza designada, tal como se define en un modelo CAD cortado. El proceso LPBF se utiliza popularmente para fabricar productos finales de geometría intrincada para diversas industrias, como la automotriz, aeroespacial, de defensa y biomédica. Al diseñar piezas, se puede emplear eficazmente la técnica de optimización topológica (TO) para optimizar la distribución del material a lo largo de la pieza y obtener el volumen/peso mínimo sin comprometer el rendimiento mecánico del componente. Este estudio se centra en la optimización del diseño y la validación de los enfoques de optimización utilizados para piezas de metal AlSi12 impresas por LPBF. Se investigó el rendimiento mecánico de tres vigas de celosía topológicamente optimizadas, a saber, 1 x 1, 8 x 3 y 12 x 3, impresas utilizando el proceso LPBF. Cuando se probaron las vigas en flexión, se encontró que estas vigas impresas por LPBF con TO se comportaban de manera diferente en comparación con la viga sólida impresa por LPBF. La viga de celosía 1 x 1 tuvo un mejor rendimiento que las otras dos vigas de celosía debido al menor número de enlaces donde se retrasó la falla prematura. La viga de celosía 1 x 1 exhibió una capacidad de carga de 17 +/- 2 kN, mientras que las vigas de celosía 8 x 3 y 12 x 3 mostraron capacidades de carga de 13 +/- 1 kN y 10 +/- 1 kN, respectivamente. Este comportamiento mecánico fue modelado y simulado utilizando un análisis de elementos finitos, y se encontró que la propiedad del material impreso por LPBF se vio afectada por los elementos de diseño presentes en la viga. También se encontró que cada viga optimizada topológicamente se ajusta a un modelo de material diferente en comparación con la viga sólida impresa por SLM. Por lo tanto, es necesario desarrollar un nuevo modelo de material o técnica de simulación para superar este problema.
Descripción
El método de fusión de lecho de polvo por láser (LPBF), más comúnmente conocido como fusión selectiva por láser (SLM), es uno de los procesos de fabricación aditiva de metal (AM) más comunes. Es un proceso de fabricación capa por capa donde cada capa de polvo se funde y se fusiona mediante un rayo láser, que atraviesa la sección transversal de la geometría de la pieza designada, tal como se define en un modelo CAD cortado. El proceso LPBF se utiliza popularmente para fabricar productos finales de geometría intrincada para diversas industrias, como la automotriz, aeroespacial, de defensa y biomédica. Al diseñar piezas, se puede emplear eficazmente la técnica de optimización topológica (TO) para optimizar la distribución del material a lo largo de la pieza y obtener el volumen/peso mínimo sin comprometer el rendimiento mecánico del componente. Este estudio se centra en la optimización del diseño y la validación de los enfoques de optimización utilizados para piezas de metal AlSi12 impresas por LPBF. Se investigó el rendimiento mecánico de tres vigas de celosía topológicamente optimizadas, a saber, 1 x 1, 8 x 3 y 12 x 3, impresas utilizando el proceso LPBF. Cuando se probaron las vigas en flexión, se encontró que estas vigas impresas por LPBF con TO se comportaban de manera diferente en comparación con la viga sólida impresa por LPBF. La viga de celosía 1 x 1 tuvo un mejor rendimiento que las otras dos vigas de celosía debido al menor número de enlaces donde se retrasó la falla prematura. La viga de celosía 1 x 1 exhibió una capacidad de carga de 17 +/- 2 kN, mientras que las vigas de celosía 8 x 3 y 12 x 3 mostraron capacidades de carga de 13 +/- 1 kN y 10 +/- 1 kN, respectivamente. Este comportamiento mecánico fue modelado y simulado utilizando un análisis de elementos finitos, y se encontró que la propiedad del material impreso por LPBF se vio afectada por los elementos de diseño presentes en la viga. También se encontró que cada viga optimizada topológicamente se ajusta a un modelo de material diferente en comparación con la viga sólida impresa por SLM. Por lo tanto, es necesario desarrollar un nuevo modelo de material o técnica de simulación para superar este problema.