Un nouveau « jumeau numérique » du laser

Jun 14, 2023

Les chercheurs développent un système d'analyse de traitement numérique qui détermine automatiquement les conditions de formage optimales

Université des sciences de Tokyo

image : L'équipe de recherche a démontré que le LDED est supérieur aux autres méthodes de réparation en termes de résistance interfaciale et de propriétés mécaniques.Voir plus

Crédit : Masayuki Arai de l'Université des sciences de Tokyo

Les pièces mécaniques des machines et des structures industrielles qui développent un amincissement ou des fissures doivent être remplacées par de nouvelles. Ces dernières années, des tentatives de réparation ont été envisagées, afin d'améliorer la durabilité industrielle. Ainsi, la technologie de réparation des machines a été un sujet brûlant de recherche et de développement. La fabrication conventionnelle imprimée en 3D de métal utilise la surface d'un lit de poudre déposé mécaniquement qui est irradié avec un laser ou un faisceau d'électrons pour faire fondre les particules métalliques et les fusionner. Cependant, cette méthode nécessite un équipement de fabrication volumineux. De plus, une grande quantité de poudre métallique est éliminée après le processus de fabrication. Cependant, le dépôt d'énergie dirigé par laser (LDED) est une technologie prometteuse qui surmonte les défis. Dans cette technique, des poudres métalliques sont déposées au foyer d'un faisceau laser, puis fondues et empilées.

Les avantages du LDED ne sont pas seulement liés à la compacité de l'équipement, mais également à la réduction significative des déchets de poudre métallique. De plus, cette technologie permet la fabrication in situ de poudre métallique sous une forme 3D à la surface d'un substrat. Cela signifie qu'il peut également être utilisé pour réparer des machines en métal !

Un groupe de chercheurs, qui comprend le professeur Masayuki Arai du Département de génie mécanique, Faculté de génie, Université des sciences de Tokyo (TUS), Japon, M. Toshikazu Muramatsu, également de TUS, et le Dr Kiyohiro Ito du Département de mécanique et Le génie électrique de l'Université des sciences de Suwa, au Japon, a, en collaboration avec le laboratoire de développement de la technologie de pulvérisation thermique de TOCALO Co. Ltd., au Japon, développé une technique de réparation utilisant le LDED. "Grâce à notre technique, la forme de surface d'une structure métallique peut être complètement restaurée sur site, et l'élimination de la poudre métallique nécessaire à la réparation peut être considérablement réduite. Cependant, les conditions de formage optimales requises pour l'application généralisée de cette technologie dans l'industrie devait jusqu'à présent être déterminée par un processus d'essais et d'erreurs », explique le professeur Arai, qui a été activement impliqué dans la recherche sur la mécanique des dommages et la technologie de réparation.

Dans un article récent publié dans Journal of Thermal Spray Technology le 23 novembre 2022, les chercheurs ont conçu un modèle mathématique de LDED qui génère automatiquement une région de dépôt de poudre métallique à l'aide d'un algorithme de mort-naissance, éliminant ainsi les conjectures nécessaires pour optimiser la production. "Le modèle de rayonnement thermique-conduction thermique et le modèle constitutif viscoplastique-thermoplastique sont appliqués aux éléments empilés qui constituent la région déposée, de sorte qu'une large gamme de changements d'état de la fusion à la solidification de la couche déposée de poudre métallique peut être fidèlement simulée. En incorporant ces modèles dans un programme d'analyse par éléments finis, nous avons développé un nouveau système d'analyse d'usinage qui n'a jamais été utilisé auparavant », note le professeur Arai. L'équipe a simulé numériquement le processus de restauration et a ainsi prédit à l'avance les conditions du processus de formage, la distribution de la température, l'état de déformation et la distribution des contraintes résiduelles et a vérifié les résultats par des expériences. Ils ont constaté que les contraintes résiduelles dans la couche déposée étaient bien inférieures à celles obtenues par les procédés de réparation conventionnels.

Ce nouveau système d'analyse numérique d'usinage 3D est un jumeau numérique de la technologie d'usinage de noyau existante basée sur la fusion du métal dans la zone à réparer. La méthode d'analyse numérique développée ici pourrait être appliquée à diverses applications industrielles à l'avenir, telles que la planification de la réparation de l'amincissement par cavitation à la surface d'une aube utilisée dans la pompe de circulation d'une centrale électrique et la conception d'une méthode pour réduire la déformation résiduelle après réparation de l'amincissement de la pointe de la pale de rotor d'une turbine à gaz. Ensemble, les caractéristiques d'automatisation et de prédiction avancée des conditions de processus par le système d'analyse d'usinage numérique rendent la fabrication de métaux en couches métalliques 3D par la technologie de réparation LDED plus efficace, avec une gestion efficace des ressources pour améliorer sa durabilité.

***

Référence

DOI : https://doi.org/10.1007/s11666-022-01499-6

À propos de l'Université des sciences de Tokyo

L'Université des sciences de Tokyo (TUS) est une université bien connue et respectée, et la plus grande université de recherche privée spécialisée dans les sciences au Japon, avec quatre campus dans le centre de Tokyo et sa banlieue et à Hokkaido. Fondée en 1881, l'université a continuellement contribué au développement scientifique du Japon en inculquant l'amour de la science aux chercheurs, techniciens et éducateurs.

Avec pour mission de "Créer la science et la technologie pour le développement harmonieux de la nature, des êtres humains et de la société", TUS a entrepris un large éventail de recherches allant de la science fondamentale à la science appliquée. TUS a adopté une approche multidisciplinaire de la recherche et entrepris des études intensives dans certains des domaines les plus vitaux d'aujourd'hui. TUS est une méritocratie où le meilleur de la science est reconnu et nourri. C'est la seule université privée au Japon qui a produit un lauréat du prix Nobel et la seule université privée en Asie à produire des lauréats du prix Nobel dans le domaine des sciences naturelles.

Site Web : https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

À propos du professeur Masayuki Arai de l'Université des sciences de Tokyo

Le Dr Masayuki Arai est professeur de génie mécanique à la faculté d'ingénierie de l'Université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon. Ses recherches portent sur les matériaux/mécanique des matériaux (Mécanique des solides, Mécanique de l'endommagement, Mécanique des interfaces). Il a obtenu son doctorat. de l'Institut de technologie de Tokyo. Il est l'auteur de plus de 150 articles avec comité de lecture, de plus de 300 présentations à des conférences et a 3 brevets à son actif. Il a été éditeur invité, éditeur associé dans les comités de rédaction de plusieurs revues réputées. Il a également siégé au comité scientifique de la Conférence Asie-Pacifique sur la fracture et la résistance (2018), la Japan Society of Mechanical Engineers (2016-2017).

Journal de la technologie de pulvérisation thermique

10.1007/s11666-022-01499-6

Simulation/modélisation informatique

N'est pas applicable

Simulation numérique tridimensionnelle du processus de réparation par dépôt direct d'énergie laser

23-Nov-2022

Aucun conflit d'intérêt à déclarer.

Clause de non-responsabilité: AAAS et EurekAlert ! ne sont pas responsables de l'exactitude des communiqués de presse publiés sur EurekAlert! par les institutions contributrices ou pour l'utilisation de toute information via le système EurekAlert.