Современные проблемы моделирования теплопереноса в технологических процессах селективного лазерного спекания и сплавления

Анализируются тепловые процессы, возникающие при реализации аддитивных технологий селективного лазерного спекания и сплавления металлов и сплавов. Проблема адекватного описания теплопереноса при реализации аддитивных технологических процессов, связанных с высокоинтенсивным локальным нагревом движущимся лучом лазера, и порождаемых тепловым полем фазовых переходов – расплавления порошкового полуфабриката, кристаллизации и сопутствующих эффектов в наращиваемом элементе – является ключевой для получения представления о микроструктуре и эффективных свойствах получаемого материала, а также для предотвращения остаточных деформаций (поводки) изделия. В настоящее время основными причинами непрогнозируемого производственного брака представляются отклонения конечной формы изделия от заданной геометрии и высокоамплитудные остаточные напряжения, способные инициировать разрушение изделия при нагрузках, существенно меньших расчетных значений, а также возникновение микроскопических дефектов (пор, границ раздела слоев и т.д.). Разработка математических моделей, с одной стороны, достаточно точных для прогнозирования перечисленных явлений, с другой стороны – допускающих практическую реализацию в инженерных расчетах, представляется основой дальнейшего развития технологий лазерного спекания и сплавления металлических материалов. В то же время, как показывает анализ современного состояния проблемы, ключевым элементом практической реализации моделей является разработка экономичных численных методов, обеспечивающих приемлемые вычислительные затраты при сохранении точности. Представляется эффективным метод, основанный на разномасштабном связном моделировании механического и теплового состояния наращиваемого тела – на локальном уровне в области бассейна расплава, на промежуточном уровне окрестности бассейна расплава и прилегающих к нему слоев и на уровне всего изделия в целом, при этом построение вычислительного процесса на глобальном уровне может опираться на сочетание метода конечных элементов, необходимость применения которого на практике бесспорна, и аналитических решений, обеспечивающих локальное уточнение решения.