Un nuovo “gemello digitale” del laser

Jun 14, 2023

I ricercatori sviluppano un sistema di analisi dell'elaborazione numerica che determina automaticamente le condizioni di formatura ottimali

Università delle Scienze di Tokio

immagine: Il gruppo di ricerca ha dimostrato che l'LDED è superiore ad altri metodi di riparazione in termini di resistenza interfacciale e proprietà meccaniche.vedere di più

Credito: Masayuki Arai dell'Università delle Scienze di Tokyo

Le parti meccaniche dei macchinari e delle strutture industriali che presentano assottigliamenti o fessurazioni necessitano di essere sostituite con parti nuove. Negli ultimi anni sono stati presi in considerazione tentativi di ripararli, al fine di migliorare la sostenibilità industriale. Pertanto, la tecnologia di riparazione delle macchine è stata un tema caldo di ricerca e sviluppo. La fabbricazione convenzionale stampata in metallo in 3D utilizza la superficie di un letto di polvere depositato meccanicamente che viene irradiato con un raggio laser o elettronico per sciogliere le particelle metalliche e fonderle. Tuttavia, questo metodo richiede attrezzature di fabbricazione ingombranti. Inoltre, una grande quantità di polvere metallica viene smaltita dopo il processo di fabbricazione. Tuttavia, la deposizione di energia diretta dal laser (LDED) è una tecnologia promettente che supera le sfide. In questa tecnica, le polveri metalliche vengono depositate nel fuoco di un raggio laser, quindi fuse e impilate.

I vantaggi di LDED non sono solo legati alla compattezza delle apparecchiature, ma anche alla significativa riduzione degli scarti di polveri metalliche. Inoltre, questa tecnologia consente la fabbricazione in situ di polvere metallica in una forma 3D sulla superficie di un substrato. Ciò significa che può essere utilizzato anche per riparare macchine in metallo!

Un gruppo di ricercatori, che comprende il professor Masayuki Arai del Dipartimento di ingegneria meccanica, Facoltà di ingegneria, Università delle scienze di Tokyo (TUS), Giappone, il signor Toshikazu Muramatsu, anche lui del TUS, e il dottor Kiyohiro Ito del Dipartimento di meccanica e Ingegneria elettrica, Università delle Scienze di Suwa, Giappone, ha, in collaborazione con il Laboratorio di sviluppo della tecnologia di spruzzo termico di TOCALO Co. Ltd., Giappone, sviluppato una tecnica di riparazione utilizzando LDED. "Utilizzando la nostra tecnica, la forma superficiale di una struttura metallica può essere completamente ripristinata in loco e lo smaltimento della polvere metallica necessaria per la riparazione può essere significativamente ridotto. Tuttavia, le condizioni di formatura ottimali richieste per l'applicazione diffusa di questa tecnologia in Finora l'industria doveva essere determinata mediante un processo di tentativi ed errori", spiega il Prof. Arai, che è stato attivamente coinvolto nella ricerca sulla meccanica dei danni e sulla tecnologia di riparazione.

In un recente articolo pubblicato sul Journal of Thermal Spray Technology il 23 novembre 2022, i ricercatori hanno ideato un modello matematico di LDED che genera automaticamente una regione di deposizione di polvere metallica utilizzando un algoritmo di morte-nascita, eliminando le congetture necessarie per ottimizzare la produzione. "Il modello di radiazione termica-conduzione termica e il modello costitutivo viscoplastico-termoplastico vengono applicati agli elementi impilati che costituiscono la regione depositata, in modo che un'ampia gamma di cambiamenti di stato dalla fusione alla solidificazione dello strato di polvere metallica depositato possa essere simulato fedelmente Incorporando questi modelli in un programma di analisi agli elementi finiti, abbiamo sviluppato un nuovo sistema di analisi della lavorazione che non è mai stato utilizzato prima", osserva il Prof. Arai. Il team ha simulato numericamente il processo di restauro e quindi ha previsto in anticipo le condizioni del processo di formatura, la distribuzione della temperatura, lo stato di deformazione e la distribuzione delle sollecitazioni residue e ha verificato i risultati attraverso esperimenti. Hanno scoperto che le tensioni residue nello strato depositato erano molto inferiori a quelle ottenute tramite processi di riparazione convenzionali.

Questo nuovo sistema di analisi numerica della lavorazione 3D è un gemello digitale della tecnologia di lavorazione del nucleo esistente basata sulla fusione del metallo nell'area da riparare. Il metodo di analisi numerica qui sviluppato potrebbe essere applicato a varie applicazioni industriali in futuro, come la pianificazione della riparazione dell'assottigliamento da cavitazione sulla superficie di una pala utilizzata nella pompa di circolazione di una centrale elettrica e l'ideazione di un metodo per ridurre la deformazione residua dopo aver riparato l'assottigliamento di la punta della pala del rotore di una turbina a gas. Nel loro insieme, le caratteristiche di automazione e previsione anticipata delle condizioni di processo da parte del sistema di analisi della lavorazione numerica rendono più efficace la fabbricazione di metalli a strati di metallo 3D mediante la tecnologia di riparazione LDED, con una gestione efficiente delle risorse per migliorarne la sostenibilità.