Nucleation modelling during selective laser melting
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-08-22
Department
Major/Subject
Materials Physics and Quantum Technology
Mcode
SCI3107
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
60+5
Series
Abstract
Selective laser melting is an additive manufacturing method used to produce three-dimensional objects. Metal powder particles are melted into shapes using a laser as the energy source. The internal grain structure of the resulting metal part is depending on process and material parameters. The process of selective laser melting can be simulated using SimPARTIX. Nucleation is the occurrence of solid particles in a melt that is cooling down. A nucleation model has been implemented into SimPARTIX together with a grain growth method, which both are using a cellular automaton approach. This thesis presents the theory behind nucleation and the models used to simulate selective laser melting. These include Discrete Element Methods, Smoothed Particle Hydrodynamics, and Cellular Automaton. A theoretical approach to grain structure prediction is also presented. The software used is briefly presented along with the methods for analyzing the grain structures. The simulation setup is described and parameters for the nucleation and grain growth methods are retrieved from the literature. Inconel 718 is chosen as the material to be simulated and the relevant material parameters are presented. The nucleation model is verified and its behavior during different temperature gradients and solidification rates is studied. Simulation cases are fit to the grain structure predictions. Simulations of the full selective laser melting process are studied. The maximum nucleation density parameter is shown to have a great impact on the resulting grain structure. The laser power and velocity also seem to impact the grain structure. The heat transfer coefficient of the system and the initial temperature of the system showed no direct impact on the grain structure. The melt pool during selective laser melting simulations is studied and the thermal gradient and solidification rates are calculated. The resulting grain structures are more equiaxed than the theoretical model predicted. The resolution of the simulations could have been improved, as well as the sample size. The computational performance was a limiting factor during the simulations. Lastly, future development proposals are made.Selektiv lasersmältning är en additiv tillverkningsmetod som används för att producera tredimensionella föremål. Metallpulverpartiklar smälts till delar med en laser som energikälla. Den inre kornstrukturen hos den resulterande metalldelen beror på process- och materialparametrar. Kärnbildning är uppkomsten av fasta partiklar i en smälta som kyls ner. Selektiv lasersmältningsprocessen kan simuleras med SimPARTIX. En kärnbildningsmodell har implementerats tillsammans med en korntillväxtmetod, båda med hjälp av en cellulär automat. Denna avhandling presenterar teorin bakom kärnbildning och de modeller som används för att simulera selektiv lasersmältning. Dessa inkluderar diskreta elementmetoder, utjämnad partikelhydrodynamik och cellulär automatmetoder. Ett teoretiskt tillvägagångssätt för förutsägelse av kornstruktur presenteras också. Programvaran och metoderna som används för att analysera kornstrukturerna presenteras. Simuleringsupplägget beskrivs och parametrar för kärnbildnings- och korntillväxtmetoderna hämtas från litteraturen. Inconel 718 väljs som material som ska simuleras och relevanta materialparametrar presenteras. Kärnbildningsmodellen verifieras och dess beteende under olika temperaturgradienter och stelningshastigheter studeras. Simuleringsfall av en stelnande smälta är jämförda till den förutsagda kornstrukturen. Simuleringar av den fullständiga selektiva lasersmältningsprocessen studeras. Den maximala kärnbildningsdensitetsparametern har visat sig ha en stor inverkan på den resulterande kornstrukturen.Laserstyrkan och hastigheten verkar också påverka kornstrukturen. Systemets värmeöverföringskoefficient och systemets initiala temperatur visade ingen direkt påverkan på kornstrukturen. Den smälta metallen under selektiva lasersmältningssimuleringar studeras och temperaturgradienten och stelningshastigheten beräknas. De resulterande kornstrukturerna är mer likaxliga än den teoretiska modellen förutspått. Simuleringarnas upplösning samt urvalsstorleken skulle kunna förbättrats. Beräkningsprestandan var en begränsande faktor under simuleringarna. Slutligen presenteras framtida utvecklingsförslag.Description
Supervisor
Alava, MikkoThesis advisor
Najuch, TimKeywords
nucleation, selective laser melting, simulation, grain structure, cellular automaton