A numerical investigation of powder spreading in additive manufacturing

Abstract

Lazer toz yatağı füzyonu, bağlayıcı püskürtme ve elektron ışını ergitme gibi toz yatağı bazlı eklemeli üretim süreçleri, tıp, havacılık ve enerji gibi çeşitli kritik alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu işlemlerde karmaşık geometriler oluşturmak için metal, seramik veya polimer tozlar kullanılabilir. Tüm bu işlemlerde ortak olan, tozlar önce inşa edilmiş platform üzerine katmanlar halinde yayılır ve uygun bir yöntemle seçici olarak ergitilir veya bağlanır. Prosesin kalitesi bir dizi proses parametresine bağlıdır. Proses parametrelerinin işlemler üzerine etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Yayılma parametrelerinin işlem sonuçlarını etkileyebileceği gösterilmiş, fakat çeşitli işlem parametrelerinin toz kütle yoğunluğunu nasıl etkileyebileceği konusundaki anlayışın geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, proses parametreleri ile toz katman kütle yoğunluğu arasındaki ilişkiyi araştırmak için ayrık eleman yöntemi (AEY) tabanlı sayısal bir yaklaşım kullanılmıştır. Toz serpme merdanesiyle yapılan serpme işleminde parametre olarak seçilen tabaka kalınlığı, dönme ve geçiş hızlarının proses sırasında veya sonrasında üretim kalitesi üzerindeki etkilerini belirlemek ayrık eleman yöntemi kullanılmıştır. Mevcut sayısal modelin doğruluğunu arttırmak amacıyla da parçacık-parçacık ve parçacık-duvar arasındaki etkileşimlerini ortaya çıkaran 'Hertz-Mindlin ile Johnson Kendall's' kontak modeli sayısal modele eklenmiştir. Karşılaştırmalı olarak ortak bir yorum geliştirmek için ana toz malzemesi içinse, eklemeli imalatta yaygın olarak kullanılan Ti6Al4V (Titanyum Alaşımı) kullanılmıştır. Elde edilen toz kütle yoğunlukları, varyans analizi (ANOVA) kullanılarak analiz edilmiş ve elde edilen sonuçların literatürde bulunan sonuçlara benzer ortaya konulmuştur.Powder-Bed-Based additive manufacturing processes such as laser powder bed fusion, binder jetting and electron beam melting are commonly utilized in various critical areas for example, medical, aviation and energy. In these processes, metals, ceramic or polymer powders can be used to create complex geometries. Common to all these operations, the powders are first spread onto the built platform layer by layer fashion and selectively fused or bound with a suitable method. The quality of the process depends on several process parameters. Many of the process parameters have been studied extensively. It was shown that the spreading parameters can affect the process outcomes, but there is still a need to extend the current understanding on how various process parameters can influence the powder bulk density. In this study, a discrete element method (DEM) based numerical approach was used to investigate the relationship between process parameters and powder layer bulk density. The discrete element method was used to determine the effects of the layer thickness, rotational and transitional velocities selected as parameters on the production quality during or after the process in the spreading process with a powder spreader roller. To increase the accuracy of the current numerical model, the 'Hertz Mindlin and Johnson Kendall's' contact model, which reveals the interactions between particle-particle and particle-wall, has been added to the numerical model. For the main powder material, Ti6Al4V (Titanium Alloy), which is widely used in additive manufacturing, was used to develop a common interpretation for comparison. The obtained powder mass densities were analyzed using analysis of variance (ANOVA) and the results obtained were similar to those found in the literature.