بهينه سازي گراديان حرارتي با تغيير پارامترهاي دمايي براي فرآيند ساخت افزودني به كمك ليزر بر پايه پودر پلي آميد-12 با استفاده از مدل عددي

Optimized thermal gradient by changing temperature parameters for laser-assisted additive manufacturing process based on polyamide-12 powder using numerical model

ساخت افزودني به كمك ليزر بر پايه پودر، يكي از روش هاي كارآمد ساخت لايه اي است كه با استفاده از توان بالاي ليزر در ساخت قطعات پليمري مورد استفاده قرار مي‌گيرد. تنش‌هاي حرارتي ناشي از ليزر موجب بروز اعوجاج و انقباض در قطعه مي‌شود. تنش‌هاي حرارتي ليزر از گراديان‌هاي حرارتي كه توسط ليزر و ساير پارامترهاي دستگاه بوجود مي‌آيند، ناشي مي‌شود. كاهش گراديان‌هاي حرارتي موجب كاهش تغيير شكل‌ها در قطعه و افزايش دقت ساخت مي‌شود. هدف از اين مقاله تعيين پارامترهاي دمايي شامل دماي پيش گرم يا دماي بستر پودر، دماي محيط، توان اسكن و قطر لكه است به نحوي كه گراديان دمايي كمينه گردد. مدلسازي المان محدود فرآيند تفتجوشي ليزر انتخابي براي پودر پلي آميد-12 انجام شده است. گراديان حرارتي با تغيير پارامترهاي دمايي بر مبناي مدل دمايي اجزاء محدود فرآيند و روش طراحي آزمايش تاگوچي بهينه سازي مي‌شود. به منظور رسيدن به اين هدف، ابتدا شبيه سازي المان محدود فرآيند تفتجوشي انتخابي به كمك ليزر براي پودر پلي آميد-12 انجام مي‌شود. جهت صحه گذاري شبيه سازي ها، تست تجربي توسط دستگاه تفتجوشي انتخابي به كمك ليزر انجام شده و نتايج حاصل با مدل المان محدود مقايسه مي‌گردد. سپس با استفاده از روش تاگوچي، آزمايشات در سطوح مختلف طراحي مي‌شود و پارامترهاي دمايي بهينه فرآيند بدست مي‌آيد. مطابق با نتايج حاصل، پارامترهاي بهينه براي كمينه كردن گراديان حرارتي در دماي پيش گرم 451K، دماي محيط 359K، توان ليزر 10W و قطر لكه 0.5mm بدست آمده است.

The laser-assisted additive manufacturing based on the powder is an efficient layer manufacturing process that uses a high-energy laser for the fabrication of polymeric components. The thermal stresses of the laser arise from the thermal gradients generated by the laser and other parameters of the device. Reducing thermal gradients decreases the deformations in the part and increases the fabrication accuracy. The main aim of this paper is to determine the temperature parameters including the preheating temperature or the powder bed temperature, the ambient temperature, scanning power and spot diameter in such a way that the temperature gradient is minimized. The finite element modeling is performed for the selective laser sintering process for polyamide-12 powder. In this paper, thermal gradient by changing temperature parameters based on the temperature model of the finite element and Taguchi experimental design is optimized. In order to reach this aim, the finite element simulation of the selective laser sintering process is first carried out for polyamide-12 powder. In order to verify the simulations, the experimental test is performed by a selective laser sintering device and the obtained results are compared with the finite element model. Then, using the Taguchi method, experiments are designed at the different levels and optimal temperature parameters are obtained. According to obtained results, optimal parameters were obtained to minimize thermal gradients at 451K preheat temperatures, 359K ambient temperature, 10W laser power, and 0.5mm spot diameter.