Статья Технология Обзор

Использование численных методов для симуляции технологических процессов в лазерной обработке

В современном машиностроении всё чаще используются методы предварительного расчёта технологической операции. Эти методы встраиваются в ПО, помогая оператору обходиться практически без помощи научно – технологического отдела. Но, несмотря на существенное развитие таких технологий в машиностроении, область лазерной обработки остаётся не до конца изученной в вопросе предварительного высокоточного анализа операций.

Численные методы наиболее часто применяются в лазерных технологиях ввиду того, что аналитические решения, которые представлены в литературе по лазерной обработке, зачастую имеют скорее ориентировочный характер, так как в них учитывается малая часть тех факторов, которые могут оказать своё влияние на процесс. Численные методы, пусть и дают приближенные значения за счёт аппроксимации, всё же являются гораздо более точными ввиду использования множества дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы, протекающие во время технологической операции.

Высокая сложность в решении дифференциальных уравнений численными методами требует использования специализированного программного обеспечения, среды программирования или САПР. Обзор возможных способов использования этих методов в лазерных технологиях будет приведён далее в статье.

Рис. 1. Симуляция тепловых полей и деформаций при использовании гауссова лазерного источника

Области использования методов

Область использования численных методов в вопросах прогнозирования и симуляции процессов не имеет каких-либо существенных ограничений, поэтому эти методы могут применяться практически для всех распространённых на сегодня методов лазерной обработки.

Лазерная сварка

Лазерная сварка является одной из наиболее популярных технологий для предварительной симуляции. Несмотря на существование аналитически решаемых уравнений в литературе [1], численные методы являются более предпочтительными. В лазерной сварке важно учитывать такие факторы, как теплопроводность – влияние теплового источника на основной металл (объясняется дифференциальным уравнением теплопроводности), физика потока жидкости – в данном случае можно использовать уравнение Навье – Стокса, а также уравнение для потока Марангони. Учёт таких факторов позволит успешно предсказывать параметры сварочного шва, а также создать полноценную симуляцию процесса, так как все эти уравнения дифференцируемы по времени.

Лазерное сверление

Большинство сред автоматизированного проектирования позволяют также графические и численные симуляции процесса лазерного сверления – причём как численного, так и графического.

Рис. 2. Симуляция процесса импульсной прошивки материала

Аддитивные лазерные технологии

Аддитивные лазерные технологии уже достаточно долгое время являются объектом интереса для учёных по всему миру, в связи с чем появилось множество готовых методов, позволяющих с очень высокой точностью предсказать тепловые поля, формообразования и другие параметры процесса.

Однако, на сегодняшний день нет готовых вычислительных инструментов для всех видов АЛТ, остановимся на каждом из них подробнее:

- Селективное лазерное плавление:

Хорошо изученная технология, поддаётся полноценной симуляции с помощью полностью готовых инструментов, которые будут рассмотрены далее.

Рис. 3. Симуляция процесса СЛП с помощью ПО Ansys Additive Suite

- Коаксиальная лазерная наплавка порошком:

Также является популярным объектом исследований, ввиду чего были созданы готовые открытые библиотеки для математического моделирования процесса с использованием готовой физики мелких частиц [2].

Рис. 4. Симуляция коаксиальной порошковой наплавки в ПО Flow 3D Weld

- Коаксиальная лазерная наплавка проволоки:

Ввиду того, что достаточно малое число компаний имеют готовые решения в этой области, ввиду сложностей с формированием лазерного пучка, подачей проволоки и пр., на сегодняшний день математические модели с открытым исходным кодом недоступны, однако существует несколько решений, позволяющих провести графическую симуляцию процесса.

Рис. 4. Симуляция лазерной наплавки проволоки в ПО COMSOL Multyphysics

Способы построения моделей и инструменты для этого

Построение в готовых инструментах САПР

Данный способ является наиболее популярным в машиностроении, так как предполагает использование сред с графическим интерфейсом и готовыми инструментами для проектирования необходимых процессов. К таким средам относятся Ansys, COMSOL Multyphysics, Flow 3D и т. п. Такие среды содержат в себе готовые методы решений сложных дифференциальных уравнений, необходимых для проектирования процессов аддитивного производства, сварки и сверления. Минусом такого подхода можно назвать отсутствие гибкости, так как данные среды не относятся к open source, из – за чего ПО трудно перестроить для симуляции некоторых усложнённых модификаций базовых процессов.

Рис. 5. Готовые инструменты САПР

Отдельно стоит отметить, что практически во всех средах для симуляций используются методы конечных элементов, конечных объёмов, конечных разностей.

МКЭ – область моделирования разбивается на множество маленьких субобластей простой формы — конечных элементов (например, тетраэдры или гексаэдры в 3D, треугольники или четырёхугольники в 2D). Искомая непрерывная функция (температура, напряжение, концентрация) аппроксимируется простыми функциями (чаще всего полиномами) внутри каждого элемента. Сборка всех элементов в единую систему приводит к глобальной системе линейных (или нелинейных) алгебраических уравнений.

МКО – область моделирования разбивается на множество маленьких контрольных объёмов (ячеек сетки). Интегрирование уравнений (например, Навье-Стокса) по каждому контрольному объёму позволяет сформулировать законы сохранения (массы, импульса, энергии) в дискретной форме для каждой ячейки. Ключевая идея — вычисление потоков через грани ячеек.

МКР – производные в дифференциальных уравнениях аппроксимируются разностями значений функции в узлах регулярной (чаще всего прямоугольной) сетки. Это самый простой для понимания метод.

Построение в open source средах

Является методом для более продвинутых пользователей и предполагает в основном использование ПО openFOAM.

OpenFOAM не имеет единого графического интерфейса для настройки всей задачи (хотя есть вспомогательные утилиты для просмотра сеток и результатов, например, ParaView). Вся задача описывается набором текстовых файлов в структуре папок. Это даёт:

· Полный контроль над каждым аспектом расчёта.
· Воспроизводимость: вы можете версионировать свою симуляцию в Git, как исходный код.

· Гибкость: возможность создавать собственные решатели и модели.

· Автоматизацию: запуск и обработка сотен случаев через скрипты.

Типичный процесс построения симуляции

1. Подготовка геометрии и генерация сетки

· Геометрия: Вы создаёте геометрию в стороннем CAD-пакете (например, Salome, FreeCAD) или используете встроенные утилиты OpenFOAM для простых геометрий (blockMesh). Геометрия экспортируется в стандартные форматы (STL, STEP).
Сетка: Это критически важный этап. OpenFOAM предоставляет несколько утилит для генерации сетки

2. Настройка физики и граничных условий

Это сердце симуляции. Вы редактируете текстовые файлы в папке system/ и 0/ (или другое начальное время).

3. Выбор и запуск решателя (Solver)

OpenFOAM — это набор из множества специализированных программ-решателей. Вы не настраиваете физику в интерфейсе, а выбираете программу, которая уже закодировала нужные вам уравнения.

· Примеры решателей:

o icoFoam: Несжимаемый ламинарный поток для ньютоновской жидкости.

o pimpleFoam: Мощный решатель для несжимаемых турбулентных потоков с использованием PIMPLE алгоритма (гибрид PISO-SIMPLE).

o buoyantBoussinesqFoam: Для потоков с естественной конвекцией (теплообмен).

o reactingFoam: Для химических реакций и горения.

o sonicFoam: Для сжимаемых потоков.

Вы выбираете подходящий решатель и запускаете его из командной строки.

4. Постобработка и анализ результатов

· Просмотр результатов: Результаты записываются в папки с названием по времени (0.1, 0.2, ... и т.д.). Основной инструмент для визуализации — ParaView, который отлично интегрирован с OpenFOAM. Он читает эти папки напрямую и позволяет строить поля скорости, давления, изоповерхности, анимации и т.д.

· Анализ данных: OpenFOAM предоставляет утилиты командной строки для извлечения данных:

o postProcess: Запуск заранее определённых функций для вычисления полей (например, vorticity).

o sample: Прореживание данных вдоль линии или поверхности.

o Вы можете писать собственные небольшие программы на C++ (используя библиотеки OpenFOAM), которые будут анализировать результаты.

Рис. 6. Использование openFOAM в консоли и вывод через среду ParaView

Использование языков программирования

В качестве основного примера такого языка, рассмотрим Matlab.

MATLAB — это не специализированный симулятор, а интерактивная среда для математических вычислений. Симуляции строятся путем написания скриптов/функций, которые непосредственно решают математические модели.

В таких средах методом прямого программирования проще создавать собственные решатели, которые потом можно использовать как готовые функции при симуляции численными методами, однако такой подход требует высокой квалификации в области программирования и математического моделирования.

Типичный процесс симуляции разделён на несколько шагов:

Формулировка модели: Перевод физической задачи в математические уравнения
Выбор метода: Решить самостоятельно или использовать встроенный решатель?
Написание кода: Создание скрипта/функции с описанием модели
Запуск и визуализация: Выполнение и немедленное отображение результатов

Анализ и параметрические исследования: Быстрое тестирование разных параметров

Рис. 7. Среда программирования MAT

Заключение

Проведенный обзор демонстрирует, что численное моделирование прочно заняло свою нишу в разработке и оптимизации технологий лазерной обработки. В отличие от приближенных аналитических решений, численные методы позволяют с высокой точностью учитывать комплекс взаимосвязанных физических явлений: теплопередачу, гидродинамику расплава, эффект Марангони и фазовые превращения. Это делает их незаменимым инструментом для предварительного расчета параметров технологических операций, снижая зависимость от дорогостоящих натурных экспериментов.

На сегодняшний день сформировалось три основных подхода к построению симуляций, каждый из которых имеет свою область применения:

Использование коммерческих САПР (Ansys, COMSOL, Flow-3D) является наиболее доступным и популярным в инженерной практике, предлагая готовые, проверенные решатели и дружественный интерфейс ценой некоторой потери гибкости.
Работа в open-source средах (OpenFOAM) предоставляет исследователю неограниченный контроль над моделью и полную прозрачность расчетов, что идеально для решения нестандартных задач и фундаментальных исследований, однако требует высокой квалификации.
Программирование в математических средах (MATLAB) оптимально для быстрого прототипирования алгоритмов, решения систем ОДУ и параметрических исследований, но плохо подходит для моделирования сложных трехмерных процессов.

Несмотря на значительный прогресс, область продолжает развиваться. Наиболее перспективными направлениями представляются создание специализированных решателей для таких сложных процессов, как лазерная наплавка проволоки, а также интеграция численных моделей в системы цифровых двойников для управления технологическими процессами в реальном времени. Таким образом, дальнейшее развитие и внедрение численных методов будет способствовать повышению точности, эффективности и надежности лазерных технологий в целом.

Автор: Майский К. К. ООО «ОКБ «БУЛАТ»

Литература

1. Ready, J.F. LIA Handbook of Laser Materials Processing. — Springer, 2001. — (Chapter 4: Modeling of Laser Welding).

2. Panwisawas, C., et al. «Mesoscale modelling of selective laser melting: Thermal fluid dynamics and microstructural evolution». — Computational Materials Science, 2017. — Vol. 126. — P. 479-490.

3. Leitz, K.-H., et al. «Metal dusting simulation in laser cladding with coaxial powder injection». — Production Engineering, 2017. — Vol. 11. — P. 34-43.

4. OpenFOAM Foundation. OpenFOAM User Guide. — Version 10, 2023. — документация

5. COMSOL AB. COMSOL Multiphysics Reference Manual. — Version 6.1, 2023.

6. ANSYS, Inc. ANSYS Additive Manufacturing User's Guide. — Release 2023 R1, 2023.

7. The MathWorks, Inc. Partial Differential Equation Toolbox™ User's Guide. — R2023a, 2023.

8. Крёнинг, М., Фабиан, П. «Моделирование теплопереноса и гидродинамики при лазерной сварке глубокого проплавления». — Физика и химия обработки материалов, 2010. — № 4. — С. 25-35.

9. Bennon, W.D., Incropera, F.P. «A continuum model for momentum, heat and species transport in binary solid-liquid phase change systems—I. Model formulation». — International Journal of Heat and Mass Transfer, 1987. — Vol. 30(10). — P. 2161-2170.

Вам также могут быть интересны эти темы

Использование численных методов для симуляции технологических процессов в лазерной обработке

Контроль сварочной ванны при лазерной наплавке с коаксиальной подачей проволоки

Сегодняшний мир аддитивных технологий не стоит на месте. Современные установки и технологии постоянно дорабатываются и оптимизируются, а также появляются новые методы аддитивного производства.

Лазерная пайка

Сегодняшние технологии лазерной пайки используются далеко не только в микроэлектронике. Данный метод соединения поверхностей используется также в часовом производстве, автомобильной промышленности, ювелирном деле, и пайке керамических изделий.