Laserpinnoitusprosessin mallintaminen elementtimenetelmällä

Abstract

Diplomityön tarkoituksena oli selvittää, olisiko laserpinnoitetun kappaleen fysikaalisia ominaisuuksia mahdollista ennustaa elementtimenetelmällä (FEM). Pinnoitteeseen saattaa muodostua jäännösjännityksistä johtuvia halkeamia, joiden muodostuminen haluttaisiin voida hallita. Kehittämällä prosessista FEM-malli voitaisiin jäännösjännityksiä kenties ennustaa, jolloin prosessiparametreja muuttamalla olisi mahdollista löytää tilanne, jolloin halkeamia ei muodostu.- Materiaalin lisäämisen ja lämmöntuonnin simuloinnissa käytettiin kontaktimallinnustekniikkaa. Pinnoitesulan lämpötila oletetaan tasaiseksi ja tunnetuksi ja pinnoitelisäaine tuodaan sulassa tilassa perusaineen pintaan. Koska FEM on diskreetti menetelmä, ei jatkuvaa ajan funktiona tapahtuvaa lisäystä voida mallintaa. Etenemisnopeutta hallitaan yhdellä kuormitusaskeleella lisättävän osan pituuden ja aika-askeleen suhteella. Lämpöanalyysissa pinnoitteen eri osat yhdistetään toisiinsa ja perusaineeseen kontaktien avulla, joita aktivoidaan laskennan edetessä. Rakenneanalyysissa osat ovat koko ajan kiinni toisissaan, mutta pinnoitteen osien elementtejä aktivoidaan laskennan edetessä.- Malleja rakennettiin kaksi erilaista, pinnoitettu kanki lämpötilakentän verifiointiin ja yhden palon malli jäännösjännitysten tarkasteluun. Mallinnettavan kangen suuri koko ja suoritettujen pinnoituskierrosten suuri lukumäärä johtavat harvaan elementtiverkkoon ja suureen aika-askeleeseen, minkä vuoksi malli ei ole kovinkaan tarkka. Kankimallin maksimiarvot lasersäteen läheisyydessä vastasivat hyvin mitattuja, etenkin kun latenttilämmöstä aiheutuva korjaus oli huomioitu, mutta kauempana pinnoituskohdasta lämpötilat olivat liian alhaisia. Tämä viittaa siihen, että mallin lämmöntuonti on liian vähäistä.- Jäännösjännitysten tarkasteluun käytetty yhden palon malli rakennettiin sekä Ansys- että Abaqus-ohjelmistoilla ja näiden antamia tuloksia vertailtiin keskenään. Mallille suoritettiin peräkkäin sekä lämpötila- että rakenneanalyysi. Analyyseja ei kannata suorittaa kytkettyinä, koska laskenta-aika ja resurssien käyttö kasvavat suuriksi. Lämpötilakenttien vastaavuus eri ohjelmien malleilla on kohtuullisen hyvä. Jännityskentissä havaittavat erot ovat suurempia. Abaquksen antamat kentät ovat symmetrisiä ja juohevia, kun taas Ansyksen kentissä on suuriakin eroja palon eri puolilla, vaikka malli on täysin symmetrinen.