Норма атмосферного давления в перми: атмосферное давление в Перми сейчас, сегодня и прогноз самочувствия на 10 дней для метеочувствительных. Составлен по данным за 23.11.2021 07:00 мск

Международный кодекс энергосбережения 2018 (IECC ^® ) определяет воздушный барьер как один или несколько материалов, соединенных непрерывным образом для ограничения или предотвращения прохождения воздуха через тепловую оболочку здания и ее сборки. Материал воздушного барьера также должен иметь воздухопроницаемость не более 0,02 л / (с · м²) при перепаде давления 75 Па (0,004 куб. Фут / м 2 при перепаде давления 1).56 фунтов / фут2) при испытании в соответствии с ASTM E 2178. Воздухопроницаемость — это количество воздуха, проникающего через продукт, а утечка воздуха — это воздух, который проходит через зазоры и отверстия.

Назначение эффективного воздушного барьера — регулировать микроклимат в помещении, останавливая перенос воздуха и связанной с ним влаги между интерьером и экстерьером дома. Воздушный барьер должен также противостоять действующим на него перепадам давления воздуха.Прекращение переноса влаги внутрь стенового блока имеет решающее значение, потому что, когда теплый пар касается холодных внутренних стен, пар превращается в жидкость за счет конденсации. По сути, воздушные барьеры сводят к минимуму или ограничивают потери и приток тепла за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

• Теплопроводность — это действие более горячих молекул, движущихся по направлению к более холодным молекулам. Эффективное значение R системы стен здания — это ее сопротивление теплопроводности.
• Тепловая конвекция — это поток тепловой энергии из более теплого помещения в более холодное за счет потока жидкостей (обычно жидкостей и газов).
• Тепловое излучение передает тепло от теплых мест к прохладным помещениям с помощью электромагнитных волн, которые в основном представляют собой солнечное излучение.

1. Прочность в течение ожидаемого срока службы дома
2. Сплошной по всей ограде здания
3. Непроницаемый для воздушного потока
4. Прочность и жесткость, позволяющие противостоять силам, которые могут действовать на них во время и после строительства.

Жилые дома

IRC 2018 ( Таблица R402.4.1.1 ) гласит, что непрерывный воздушный барьер должен быть установлен в ограждающей конструкции здания, внешняя тепловая оболочка содержит непрерывный барьер, а разрывы стыков в воздушной преграде должны быть герметизированы.

Коммерческие здания

IBC 2018, раздел C402.5.1 , критерии воздушного барьера для коммерческих зданий (требуются для всех климатических зон, кроме 2B), требуют непрерывного воздушного барьера по всей тепловой оболочке здания. Кроме того, разрешается размещать воздушные барьеры внутри или снаружи ограждающей конструкции здания, в узлах, составляющих оболочку, или в любой их комбинации.Кроме того, воздушный барьер должен соответствовать разделам C402.5.1.1 и C492.5.1.2 .

Пароизоляция 101

Пароизоляция предотвращает диффузию пара через строительные материалы. В строительной науке диффузией пара управляет второй закон термодинамики. Проще говоря, влага течет из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией влаги или из более теплого в более прохладное пространство внутри строительного материала, такого как гипс и изоляция.

Важно не путать пароизоляцию с ингибиторами парообразования. Пароизоляция останавливает диффузию пара, в то время как замедлитель пара лишь замедляет диффузию пара. Важно отметить, что метод осушителя по ASTM E 96 используется для определения способности материала ограничивать количество влаги, проходящей через него, что определяет его класс замедлителя пара (барьера).

• Класс I — пароизоляция: 0,1 доп.
• Класс II — замедлитель образования паров: 0,1 <доп.
• Класс III — замедлитель образования паров: 1,0 <допуск <10 допуск

Исторически пароизоляция (обычно полиэтилен) размещалась на внутренней изоляции стен и потолка, чтобы предотвратить разделение пара на стеновые системы в зимние месяцы, когда внутри дома теплее, чем воздух внутри стеновой системы.

Распространение пара — второстепенное значение при проникновении влаги в систему стен

Исследование, проведенное в Дании в 2018 году, изучало влияние проливного дождя и диффузии пара на движение влаги и тепла через гигроскопичную и проницаемую оболочку здания.Гигроскопичная оболочка здания способна впитывать и накапливать влагу из окружающего воздуха. Проницаемая оболочка здания обеспечивает диффузию пара.

Исследование пришло к выводу, что наличие пароизоляции не привело к значительным изменениям влажности стенового блока. Кроме того, из четырех механизмов переноса влаги в стеновую систему, потока жидкости, капиллярного всасывания, движения воздуха и диффузии пара, диффузия пара представляет собой наименьшую величину и поэтому с меньшей вероятностью нанесет серьезный ущерб дому.

Пароизоляция не только не помогает системе стен оставаться сухой, но и может повредить целостность дома. Если влага проникает в стеновую систему, низкая проницаемость пароизоляции может препятствовать высыханию стеновой системы. Недостаточная сушка внутри ограждения здания может привести к появлению плесени и гнили, которые вредны для здоровья жителей дома и могут повредить целостность дома.

Кодекс требований к пароизоляции

Использование пароизоляции внутри или снаружи здания зависит от климатической зоны .Международный строительный кодекс 2018 года (IBC) 1404.3 и Международный жилищный кодекс 2018 года (IRC) R702.7 предписывают использование пароизоляции и замедлителей схватывания класса I или II на внутренней стороне каркасной стены в климатических зонах 5 6,7,8 и морской 4. Южные климатические зоны 1, 2 и 3 не требуют пароизоляции и замедлителей схватывания.

Устранение необходимости в пароизоляции с помощью защитной пленки

Barricade Building Wrap — это непрерывный воздушный барьер, покрывающий всю ограждающую конструкцию дома.Баррикадная пленка также непроницаема для воздушного потока, долговечна в течение ожидаемого срока службы дома и обладает жесткостью и прочностью, чтобы противостоять силам, которые действуют на нее во время и после строительства.

1. Barricade Wrap — это система непрерывного воздушного барьера, которая контролирует перенос воздуха, тепла и влаги, а также воздуха, что обеспечивает здоровый, комфортный, энергоэффективный, комфортный и прочный дом. Важно отметить, что Barricade Wrap соответствует и превосходит требования к воздушному барьеру IECC R402 2018 года.4.1 и C402.5.1 .
Обертка
2. Barricade с рейтингом проницаемости 11 США согласно тесту ASTM E96 проницаема для влаги. Стандарт требует домашнего обертывания с пятью химическими завивками или выше.
3. Barricade ^® Обертка долговечна благодаря устойчивости к холоду, УФ-лучам и влаге.
   • Баррикада. Термостойкость: AC38 Раздел 3.3.4: (Испытание на изгиб на холодном оправке) гарантирует, что продукт не будет трескаться при низких температурах.
   • Barricade Wrap без повреждений выдерживает четыре месяца воздействия ультрафиолета.
   • Barricade Wrap проходит все эти испытания на водонепроницаемость: ASTM D779 (испытание на лодке), CCMC 07102 (испытание в водоеме) и метод испытаний 127 AATCC.
4. Barricade Wrap обладает прочностью, чтобы сохранять свою целостность благодаря отрывной конструкции с превосходной прочностью. Обертка Barricade Wrap прошла оба теста, которые измеряют прочность продукта или сопротивление разрыву: ASTM D5034 и ASTM D882.

Barricade Wrap — это эффективный воздушный барьер, который является непрерывным, проницаемым, прочным и прочным.В отличие от непроницаемых пароизоляционных материалов, Barricade Wrap может противостоять влаге, позволяя влаге выходить из полостей наружных стен, что особенно важно в жарком и влажном климате. Посетите Barricade ^® для получения дополнительной информации о воздушных барьерах и пароизоляции.

* Бастьен, Дайан и Винтер-Гаасвиг, Мартин. (2018). Влияние проливного дождя и диффузии пара на гигротермические характеристики гигроскопической и проницаемой оболочки здания.Энергия. 164. 10.1016 / j.energy.2018.07.195.

Мезоскопическая модель и явления переноса

《1. Введение》

1. Введение

За последние 20 лет в области селективного лазерного плавления (SLM) металлов при атмосферном давлении произошли огромные успехи [1–5]. Недавно SLM в условиях вакуума или более низкого давления окружающей среды был предложен в качестве альтернативного способа производства высококачественных металлических изделий.Преимущества вакуумного SLM очевидны по сравнению с традиционным процессом SLM. Благодаря чрезвычайно чистой окружающей среде дефект микроокисления предотвращается в процессе вакуумного SLM [6]. Более гладкая поверхность отпечатанного продукта (шероховатость R _a <1 мкм) может быть получена во время SLM титана (Ti) в условиях вакуума [7]. Хотя некоторые явления были частично поняты с помощью наблюдений in situ [8–10], сложное поведение ванны расплава, которое происходит в очень коротких временных масштабах (10 ^–6 –10 ^–3 с), не наблюдалось должным образом.В настоящее время термодинамическое и гидродинамическое поведение ванны расплава во время процесса SLM при более низком давлении окружающей среды изучено недостаточно.

Эффективное моделирование продемонстрировало большой потенциал в том, чтобы сделать возможным понимание физического поведения, которое происходит во время процесса SLM, поскольку оно значительно снижает потребность в дорогостоящих и длительных экспериментах методом проб и ошибок [11]. За последние десятилетия огромный прогресс был достигнут в мезоскопическом моделировании динамики расплавленной ванны SLM [12–21].При моделировании были приняты во внимание ключевые физические факторы, такие как лазерное облучение, сила Марангони, поверхностное натяжение и давление отдачи. Körner et al. [12] использовали метод решеточного Больцмана (LBM) для изучения процесса последовательной консолидации в слоях порошка. Khairallah et al. [13] разработали мезоскопическую модель для исследования механизма образования пор, брызг и денудации с использованием метода Эйлера – Лагранжа. Однако существующие модели редко учитывают влияние переменного атмосферного давления.Кроме того, следует отметить, что решение текущих мезоскопических моделей SLM требует очень много времени, поскольку процесс печати включает в себя различные пространственные и временные масштабы. Чтобы решить эту проблему, были предприняты усилия по снижению вычислительных затрат. Boley et al. [14] представили технологию высокопроизводительных вычислений в моделирование SLM. Ли и Чжан [15] использовали неоднородные сетки для моделирования типичного процесса печати SLM на персональном компьютере и показали, что всего 40 часов необходимо для детального определения теплопередачи, потока жидкости и эволюции свободной поверхности 0.Дорожка длиной 6 мм для типичных параметров процесса. Короче говоря, время вычислений огромно для текущих мезоскопических моделей процесса SLM. Следовательно, необходимо разработать более эффективные методы моделирования.

В этом исследовании мы впервые разработали мезоскопическую феноменальную модель SLM при переменном атмосферном давлении, основанную на наших недавних аналогичных исследованиях лазерной сварки [22,23]. Физические эффекты, такие как поверхностное натяжение, сила Марангони, давление отдачи и давление окружающей среды, строго учитываются в этой модели с использованием эффективного метода адаптивного уточнения сетки (AMR) на основе октодерева.Модель поверхностного давления вводится для учета влияния переменного давления окружающей среды на ванну расплава, согласно нашим предыдущим исследованиям лазерной сварки [22,23]. Мы использовали нашу численную модель для исследования теплопередачи и поведения потока жидкости порошков нержавеющей стали SLM 316L при атмосферном давлении и низком давлении окружающей среды (100 Па). Затем мы проанализировали результаты моделирования, сравнив их с имеющимися в настоящее время экспериментальными данными SLM стальных порошков при переменном давлении окружающей среды.

《2. Материалы и методы №

2. Материалы и методы

На рис. 1 представлена ​​принципиальная схема процесса SLM. Математическая модель учитывает как мезоскопическую теплопроводность, так и конвективную теплопередачу; фазовые превращения, такие как плавление, затвердевание и испарение, также обрабатываются математически. Считается, что на мезоскопический поток жидкости в ванне расплава в основном влияет давление окружающей среды, давление отдачи из-за испарения, поверхностное натяжение, гидростатическое давление, гидродинамическое давление и напряжение сдвига Марангони.Переходные изменения свободной поверхности на поверхности ванны расплава также учитываются методом объема жидкости (VOF). Модель смеси используется для рассмотрения фазовых превращений твердое тело – жидкость в процессе SLM [19–21]. Чтобы сделать эту сложную задачу математически решаемой, предполагается, что порошок нержавеющей стали 316L плотно упакован в обычном порядке. Однако мы отметили, что это упрощение можно ограничить, потому что наша модель может вводить реальные образцы упаковки порошков, когда стратегия упаковки определяется экспериментально.

《Рис. 1》

Рис. 1. Схематическое описание расчетной области.

Основные уравнения неразрывности массы, сохранения импульса и сохранения энергии порошков SLM представлены следующим образом [22]:

, где и t соответственно представляют оператор Гамильтона и время. U , ρ , p , μ , g , T , T _ref , β , C _{и C k соответственно представляют трехмерный (3D) вектор скорости, плотность, давление, вязкость, вектор силы тяжести, температуру ванны расплава, эталонную температуру, коэффициент теплового расширения, теплоемкость и теплопроводность. K — коэффициент Кармана – Козени [24]. Характеристики жидкость / твердое тело учитывались с полем жидкой фракции. Предполагается, что жидкая фракция изменяется линейно с температурой [24]:}

, где и T _s представляют температуры ликвидуса и солидуса жидкого расплава, соответственно. Граница раздела между жидкостью и твердым телом определяется, когда жидкая фракция больше 0 и меньше 1. Во время процесса преобразования солидус / ликвидус используется надежный метод температурной компенсации [25] для обработки соответствующей скрытой теплоты.

Метод VOF используется для отслеживания положения и формы свободной поверхности. Он решает скалярное уравнение переноса для объемной доли металла в ячейке ( F ) следующим образом [26]:

Когда свободная поверхность известна, плотность поглощенной энергии q на поверхности рассчитывается методом трассировки лучей [25]. Чтобы уменьшить вычислительные затраты, многократные отражения лучей не учитываются [13], потому что этим эффектом можно пренебречь в процессе SLM (обратите внимание, что глубина плавления на трек обычно мала).Плотность поглощенной энергии q на поверхности металла может быть выражена следующим образом [25,27]:

, где I ( r , z ) — это распределение плотности энергии пучка, r и z соответственно представляют позиции по радиусу и оси Z , I — единица измерения вектор падающих лучей, n — единичный вектор нормали к точке на металлической поверхности, θ — угол между падающим лучом и вектором нормали, α _Fr — коэффициент поглощения Френеля, и ε — коэффициент, относящийся к типу лазера. I ( r , z ) моделируется как функция Гаусса [25]:

, где R — эффективный радиус луча, а P — мощность лазера.

Для обработки физических факторов силы Марангони, давления отдачи и действия поверхностного натяжения на свободной поверхности, мы применяем алгоритм уравновешенной силы континуума поверхностной силы (CSF) для обработки граничных условий [23,28]. Примечательно, что этот алгоритм, как было показано, похож на метод резкой границы раздела, который также может преодолеть проблемы паразитного тока при моделировании потоков жидкости с преобладанием капилляров, таких как сварка плавлением и 3D-печать.Действие этих факторов можно выразить следующим образом [23,28]:

где — дельта-функция Дирака. соответственно представляют нормальное напряжение границы раздела, коэффициент поверхностного натяжения, кривизну границы раздела, коэффициент тепловой капиллярной силы и оператор тангенциального градиента границы раздела. Чтобы учесть влияние давления окружающей среды на мезоскопическое поведение в процессе SLM, мы вычисляем поверхностное давление p _s , которое связано с давлением отдачи и давлением окружающей среды, в формуле.(8). Мы также используем модель приземного давления для расчета поверхностного давления [29]. Модель приземного давления выражается следующим образом [29]:

, где p _amb — давление окружающей среды, k _B — постоянная Больцмана, β _R — коэффициент конденсации, T _v — точка кипения, P ₀ — атмосферное давление, представляет собой энтальпию фазового перехода при испарении ( м — масса на атом и L _v — скрытая теплота испарения), T _fs — температура поверхности и T _L и T _R — температуры двух точек касания между плавной кривой p _c ( T _fs ) с линией окружающей среды и кривой давления отдачи .Вывод модели следующий. Из предыдущих исследований [22,29], классическая формула давления отдачи не учитывает влияние давления окружающей среды и подходит для условий вакуума. Чтобы учесть влияние атмосферного давления, необходимо учесть три обстоятельства. Во-первых, когда температура достаточно высока, давление отдачи на значительную величину превышает давление окружающей среды, а давление окружающей среды незначительно. Поверхностное давление вычисляется напрямую по классической форме.Во-вторых, когда температура достаточно низкая, испарение почти не происходит, и поэтому давление отдачи незначительно. Поверхностное давление считается равным атмосферному давлению. В-третьих, чтобы избежать разрывов, построена плавная кривая p _c ( T _fs ), чтобы связать внешнюю линию и кривую давления отдачи. Более подробную информацию можно найти в Ref. [27]. В данной работе кубический многочлен используется для описания гладкой кривой, которая выражается следующим образом:

, где коэффициенты a , b , c и d и температуры точек пересечения ( T _L , T _R ) все показаны в таблице 1 для 316L. нержавеющая сталь при давлении 100 Па и атмосферном давлении окружающей среды.

《Таблица 1》

Таблица 1 Параметры модели поверхностного давления из нержавеющей стали 316L при переменном давлении окружающей среды.

1 атм = 101 325 Па.

После определения связанной математической модели мы применяем метод AMR для решения системы уравнений. Здесь мы используем метод AMR на основе октодерева, в котором алгоритм с множественным разрешением используется для управления динамическим уточнением сетки, следуя нашим предыдущим исследованиям [27,28]. Ключевым моментом этого метода является определение разницы между исходными значениями физических полей и восстановленными.В данной работе мы устанавливаем адаптацию сетки к кривизне свободной поверхности и локальной температуре. Подробные стратегии AMR можно найти в нашем предыдущем исследовании [27].

В настоящей работе, чтобы исследовать влияние давления окружающей среды на явления переноса, мы смоделировали процессы SLM при атмосферном давлении и атмосферном давлении 100 Па соответственно, используя нашу модель. Мы выполнили моделирование процесса в трехмерной области с размерами 620 мкм (длина), 350 мкм (ширина) и 300 мкм (высота), как показано на рис.1. Домен представляет собой слой частиц порошка толщиной 54 мкм, нанесенный на подложку толщиной 200 мкм. Минимальный размер сетки установлен на 2,5 мкм для обеспечения точности. Диаметр частиц порошка 27 мкм. Частицы расположены просто и регулярно. Однако лучшим выбором было бы использовать случайное распределение частиц порошка, которое будет реализовано в ближайшем будущем. Мощность лазера 200 Вт, скорость сканирования 2 м ∙ с ^–1 , радиус луча около 27 мкм. Чтобы избежать снижения точности моделирования, в настоящей работе используются зависящие от температуры тепловые параметры порошка нержавеющей стали 316L, согласно работам [8,14].[11,13], как показано в таблице 2. Значения параметров при любой температуре могут быть получены путем интерполяции или экстраполяции.

《Таблица 2

Таблица 2 Физические параметры, использованные при моделировании [11,13].

《3. Результаты и обсуждение》

3. Результаты и обсуждение

《3.1. Температурное поле и морфология следа при печати при переменном давлении окружающей среды》

3.1. Температурное поле и морфология следа при печати при переменном давлении окружающей среды

Рис.2 (a) — (d) показаны смоделированные эволюции температурного поля и морфологии свободной поверхности во время SLM-печати порошка нержавеющей стали 316L при атмосферном давлении. Когда лазер сканирует слева направо, и температурное поле, и профили ванны расплава постепенно достигают квазистационарного состояния в течение примерно 100 мкс. В квазистационарном состоянии можно обнаружить, что распределение температуры довольно неравномерно. Максимальная температура превышает температуру кипения стали (3083 К) в области, непосредственно облучаемой лазером.Ванна расплава является экзотермической, и большая часть температуры поверхности ванны расплава составляет около 2800 К. Ширина ванны расплава составляет около 73 мкм. По оценкам, наибольший температурный градиент превышает 4,2 × 10 ⁷ К ∙ м ^–1 . (Разница между наивысшей температурой и температурой солидуса составляет около 1500 K, а расстояние от центра ванны расплава до края составляет около 35 мкм.) Поскольку в нашей модели предполагается, что порошки регулярно упаковываются, исходный текст трасса штатная.Тем не менее, на отпечатанной поверхности дорожки наблюдается небольшая рябь (высота: около 1 мкм; расстояние между интервалами: около 25 мкм) из-за гидродинамики ванны расплава. Пульсация будет усилена и может значительно повлиять на шероховатость поверхности отпечатанных продуктов в типичном процессе SLM, потому что обычно есть десятки тысяч или даже миллионы дорожек, нанесенных послойно. Кроме того, на свободной поверхности ванны расплава есть две отчетливые области (рис.2 (d)): первая представляет собой область полости в передней части, а вторая представляет собой относительно плоскую область, расположенную в задней части. Диаметр и глубина полости составляют около 50 и 20 мкм соответственно. Предыдущие исследования показали, что в зависимости от плотности мощности лазера и скорости сканирования в процессе SLM, таком как лазерная сварка [29], будут возникать два режима режимов плавления (т.е. режим проводимости и режим «замочной скважины»). Поскольку температура области полости приближается к точке кипения, происходит интенсивное испарение.Следовательно, можно сделать вывод, что в этом процессе начинает происходить плавление по типу «замочной скважины», и область полости создается за счет эффекта смещения давления отдачи. Тем не менее, поскольку полость очень мелкая, явление замочной скважины не очевидно при текущих параметрах процесса.

Рис. 2 (e) — (h) показаны смоделированные изменения температурного поля и морфологии свободной поверхности во время SLM-печати порошка нержавеющей стали 316L при атмосферном давлении 100 Па. Можно видеть, что очень похожее физическое поведение происходит при низком давлении окружающей среды по сравнению с поведением при атмосферном давлении.Тем не менее, при более низком давлении окружающей среды можно наблюдать несколько отличительных характеристик. Во-первых, температура ванны расплава значительно снижается, как показано на рис. 2. Пиковая и средняя температуры в области полости составляют всего около 2600 и 2300 К соответственно при атмосферном давлении 100 Па, что намного ниже соответствующих значений. температуры (3100 и 2800 К) при атмосферном давлении. Кроме того, поведение теплопередачи значительно отличается, что приводит к различному распределению температуры в высокотемпературных областях ванны расплава при переменном давлении окружающей среды.В области полости ванны расплава область с более высокой температурой возникает на боковых сторонах ванны расплава в направлении поперечного сечения, а область с более низкой температурой находится в центре, как показано на фиг. 2 (h). Однако при атмосферном давлении температура в центральной части ванны расплава всегда высока при текущих параметрах процесса. Очевидно, что кондуктивная теплопередача не может быть использована для объяснения этого явления, потому что распределение энергии лазера гауссово, а пиковая плотность находится в центре.Следовательно, только конвективная теплопередача может привести к такому неожиданному явлению. Сравнение рис. 2 (d) и (h) показывает, что эффект конвективной теплопередачи усиливается в SLM при более низком давлении окружающей среды. В разделе 3.2 мы покажем, что на боковых сторонах ванны расплава во время SLM более интенсивные потоки жидкости при более низком давлении окружающей среды, чем при атмосферном давлении. Кроме того, размеры ванны расплава значительно изменяются при изменении давления окружающей среды от атмосферного до 100 Па.Гораздо более крупная ванна расплава (ширина: 80 мкм; глубина: 84 мкм) обнаруживается при более низком давлении окружающей среды, чем при атмосферном давлении (ширина: 73 мкм; глубина: 28 мкм), как показано на рис. 3, и меньшая ванна расплава. наблюдается при атмосферном давлении, чем при более низком давлении, как показано на рис. 2 (d) и рис. 2 (h). Кроме того, интересно отметить, что при более низком окружающем давлении волнистость ванны расплава меньше, а отпечатанная дорожка более гладкая, чем при атмосферном давлении.

《Рис.2》

Рис. 2. Эволюция температурного поля и морфологии поверхности. При атмосферном давлении: а) 5 мкс; (б) 80 мкс; (c) 150 мкс; (г) 220 мкс. При давлении 100 Па: (e) 5 мкс; (f) 80 мкс; (g) 150 мкс; (h) 220 мкс.

《Рис. 3》

Рис. 3. Расчетные профили ванны расплава при 220 мкс во время SLM при переменном давлении окружающей среды. а) при атмосферном давлении; (б) под давлением 100 Па.

Для проверки предложенной модели мы провели моделирование со случайным распределением порошков.Параметры процесса остались прежними. Для случайного расположения порошков был принят метод капель дождя [12]. По сравнению с однородным порошковым слоем легко получить неравномерный осадок, как показано на рис. 4 (b). Мы сравниваем смоделированные профили ванны расплава с независимыми литературными результатами [11] для SLM-печати того же материала при атмосферном давлении на рис. 4 и в таблице 3. И ширина, и глубина расплава согласуются с независимыми экспериментальными данными. Максимальное отклонение менее 6 мкм.Поскольку контрольные данные профиля ванны расплава при более низком или вакуумном атмосферном давлении недоступны, мы сравнили смоделированные изменяющиеся тенденции физического поведения с литературными отчетами. Результаты нашего моделирования показали, что рябь меньше, и предположили, что более гладкая поверхность печатной продукции может быть получена во время SLM при более низком давлении окружающей среды. Этот результат полностью соответствует всем предыдущим экспериментальным данным, которые указывают на лучшее качество поверхности в вакууме [6–10].Кроме того, наше моделирование разницы температур между случаем более низкого давления и атмосферным согласуется с предыдущими теоретическими исследованиями лазерной сварки [22,29,30].

《Рис. 4》

Рис. 4. Валидация модели. а) хаотично распределенные порошки; (б) прогнозируемая морфология поверхности при 250 мкс; (c) экспериментальные результаты; (d) расчетные профили ванны расплава. (c) Воспроизведено из Ref. [11] с разрешения Elsevier B.V., © 2014.

《Таблица 3

Таблица 3 Сравнение характеристик расплава между экспериментальными результатами из [5]. [11] и настоящее моделирование.

При лазерной сварке в режиме «замочная скважина», когда давление окружающей среды изменяется с вакуума на атмосферное, ширина сварного шва увеличивается на некоторую степень [22,29,30], что отличается от текущих результатов моделирования процесса SLM. Это различие можно объяснить следующим образом. В настоящем процессе SLM при атмосферном давлении режим плавления можно в значительной степени рассматривать как режим проводимости, поскольку глубина плавления очень мала, как показано в настоящем моделировании и в предыдущих независимых литературных отчетах [11,15,21].Когда давление окружающей среды снижается до 100 Па, глубина плавления заметно увеличивается, и режим плавления начинает переходить из режима теплопроводности в режим «замочной скважины», как показано на рис. 3. Конвективная теплопередача усиливается из-за вызванного испарением давление отдачи; следовательно, на основании настоящих предсказаний наблюдается увеличение ширины плавления. Это явление согласуется с широко распространенным явлением лазерной сварки, при котором в процессе сварки в режиме «замочной скважины» протекает более интенсивное течение жидкости, чем в процессе в режиме проводимости.

《3.2. Гидродинамика ванны расплава при переменном давлении окружающей среды》

3.2. Гидродинамика ванны расплава при переменном давлении окружающей среды

На рис. 5 показаны прогнозируемые изменения поля течения ванны расплава при атмосферном давлении. Скорость отображается в виде стрелок, а ее величина отображается цветом стрелки. В сварочной ванне есть две отдельные области потока (область полости и другие части). В полости жидкость бурная (до 5 м ∙ с ^–1 ) и в основном течет от центра к периферийным областям полости (рис.5 (б) — (д)). Поскольку температура в центре полости выше, чем в других местах и ​​около точки кипения, это бурное течение вызвано напряжением сдвига Марангони и давлением отдачи. В задней части ванны расплава жидкость течет назад относительно направления лазерного сканирования, и ее величина составляет около 2 м ∙ с ^–1 в квазистационарном состоянии (рис. 5 (d)). Кроме того, согласно результатам моделирования, поток жидкости в сварочной ванне демонстрирует периодические колебания с периодом 14 мкс.Этот поток в основном возникает из-за эффекта смещения под действием давления отдачи на переднюю часть резонатора, облучаемого гауссовым лазерным лучом. Его механизм при лазерной сварке в режиме замочной скважины уже хорошо изучен [22,25,29]. Колебания потока жидкости вызывают рябь высотой около 1 мкм на отпечатанных дорожках при текущих параметрах.

《Рис. 5》

Рис. 5. Прогнозируемый расход жидкости при атмосферном давлении.Стрелки обозначают скорость жидкости в ванне расплава, а цвет стрелки указывает величину скорости (vel). а) 5 мкс; б) 15 мкс; (c) 80 мкс; (г) 150 мкс; (e) местный увеличенный вид потока жидкости при 150 мкс и свободная поверхность визуализируются прозрачно, чтобы проиллюстрировать трехмерное поле потока.

На рис. 6 показано прогнозируемое поле течения жидкости в ванне расплава при низком давлении окружающей среды при 150 мкс. Это время гарантирует, что замочная скважина перейдет в квазистационарное состояние. Подобные схемы потока существуют и при низком атмосферном давлении, что можно увидеть в сравнении с рис.5 (е). Это говорит о том, что механизмы жидкостной механики ванны расплава при обоих давлениях окружающей среды одинаковы. Тем не менее, существуют также отчетливые потоки текучей среды в ванне расплава, как показано на рис. 6. Во-первых, есть более сильные потоки на боковой стороне ванны расплава при более низком давлении окружающей среды. Средняя величина этих потоков составляет до 4 м ∙ с ^–1 , как показано на рис. 6 (b), по сравнению с 2 м ∙ с ^–1 при атмосферном давлении. Во-вторых, SLM в режиме замочной скважины также происходит в среде с более низким давлением окружающей среды; в этом случае процесс печати более склонен к режиму замочной скважины, поскольку испарение легче при более низком давлении окружающей среды.Влияние давления отдачи, вызванного испарением, вызовет сильные боковые боковые потоки во время взаимодействия лазера с материалами. (Обратите внимание, что этот механизм был предложен почти 20 лет назад при лазерной сварке [31].) Недавно член давления отдачи был рассчитан как поверхностное давление, предполагая, что испаренные атомы не могут свободно течь, пока температура не приблизится к точке кипения во время лазерной сварки. материальное взаимодействие [22,29,30]. При атмосферном давлении поверхностное давление работает только тогда, когда температура материала близка к точке кипения (3086 К) [22].При атмосферном давлении 100 Па поверхностное давление начинает играть важную роль, когда температура материала намного ниже (около 2000 K для нержавеющей стали), согласно уравнению Клапейрона – Клаузиуса [22]. Это означает, что перепад давления на поверхности и давления окружающей среды — основная движущая сила гидродинамики ванны расплава — относительно больше при давлении окружающей среды 100 Па, чем при атмосферном давлении. Это говорит о том, что точка кипения будет значительно снижена при более низком давлении окружающей среды.Легко подсчитать, что температура кипения для нержавеющей стали 316L снизится примерно на 1000 K при изменении давления окружающей среды с атмосферного на вакуум. Таким образом, происходит интенсивное испарение и создается большое поверхностное давление при давлении окружающей среды 100 Па, когда температура материала далеко от 3086 К. Следовательно, в этом случае процесс печати SLM в режиме замочной скважины более вероятен, и потоки более интенсивные. будет существовать на боковых сторонах ванны расплава.

《Рис.6》

Рис. 6. Расчетное поле скорости при давлении 100 Па при 150 мкс. (а) вид сверху; (b) местный увеличенный вид потока жидкости, на котором прозрачно визуализируется свободная поверхность для захвата трехмерной динамики жидкости.

На рис. 7 показан прогнозируемый поток жидкости внутри ванны расплава при различных давлениях. Видно, что картины течения похожи, а величины разные. Судя по схеме течения, в задней части ванны расплава наблюдается вихревой поток.Часть потока у передней поверхности ванны расплава направлена ​​вниз по поверхности. Вихревой поток возникает в результате обратного потока жидкости, вызванного напряжением сдвига Марангони и давлением отдачи, и сталкивается с затвердевшей частью. Такая картина течения обычна в процессе лазерной сварки [22]. Судя по величине скорости, больший местный поток (до 7 м ∙ с ^–1 ) обнаруживается при давлении 100 Па из-за вышеупомянутого большего эффекта поверхностного давления. Кроме того, величина обратного потока быстро уменьшается вдоль поверхности ванны расплава в задней части под давлением 100 Па.Это указывает на то, что вязкая диссипация значительна, когда жидкость течет по поверхности глубокой полости. Сверху это демонстрирует, что давление окружающей среды оказывает значительное влияние на величину потока жидкости.

《Рис. 7》

Рис. 7. Прогнозируемый поток жидкости внутри ванны расплава при 220 мкс. а) при атмосферном давлении; (б) под давлением 100 Па.

《3.3. Связь между явлениями переноса и улучшением качества печати при более низком давлении окружающей среды》

3.3. Взаимосвязь между явлениями переноса и улучшением качества печати при более низком атмосферном давлении

Предыдущие независимые эксперименты показали, что качество отпечатка процесса SLM может быть улучшено (т. Е. С более гладкой поверхностью и меньшим количеством дефектов), когда процесс SLM выполняется в вакууме или в среде с более низким давлением окружающей среды [6–10] . Основываясь на нашей мезоскопической математической модели, мы непосредственно воспроизвели эффект более низкого давления окружающей среды для улучшения печати, как показано на рис.3 и 8: ширина дорожки плавления больше, глубина дорожки более глубокая, и лучшая шероховатость поверхности моделируется при более низком давлении окружающей среды. Ниже мы используем теорию механики жидкости для объяснения этих явлений.

《Рис. 8》

Рис. 8. Сравнение смоделированного внешнего вида поверхности при переменном давлении окружающей среды. а) атмосферное давление; (b) Давление окружающей среды 100 Па.

Наше теоретическое моделирование показало, что более сильные потоки жидкости существуют при более низком давлении окружающей среды (100 Па), чем при атмосферном давлении.Известно, что плавильная способность порошков во время SLM определяется передачей тепла из позиций, облучаемых лазерным лучом, в другие места. Число Пекле ( Pe = UL / α, где U — средняя скорость потока (2 м ∙ с ^–1 при атмосферном давлении, 4 м ∙ с ^–1 при давлении 100 Па), L — характерная длина жидкости (ширина ванны расплава, 73 мкм при атмосферном давлении, 80 мкм при давлении 100 Па), а α — коэффициент температуропроводности (5 × 10 ^–6 м ² ∙ s ^–1 )), который представляет собой степень конвективной теплопередачи (преобладающее влияние на способность плавления в процессе SLM), увеличивается с 32 до 80.Следовательно, способность порошков к плавлению заметно улучшается при более низком давлении окружающей среды. Конечно, отсутствие плавления порошка, особенно между соседними дорожками, можно значительно улучшить. Кроме того, за счет увеличения конвективной теплопередачи увеличивается как ширина, так и глубина плавления. Таким образом, кривизна ванны расплава заметно уменьшается при более низком давлении окружающей среды. Этот результат также согласуется с предыдущим экспериментальным отчетом о том, что при более низком давлении окружающей среды предотвращается комкование порошков в процессе SLM [6].

Кроме того, наши результаты показали, что при атмосферном давлении 100 Па возникает небольшое количество волн. Волновой поток, исходящий от передней стенки полости, переносится от дна поверхности полости к задней части ванны расплава. Безразмерное число Рейнольдса расплавленного потока ( Re = ρUL / μ , ρ = 7200 кг ∙ м ^–3 , U = 2–4 м ∙ с ^–1 , L = 7,3 × 10 ^–5 –8,0 × 10 ^–5 м, мкм = 5.9 × 10 ^–3 кг ∙ м ^–2 ∙ с ^–1 ) можно оценить как 170–390, что намного ниже критического значения турбулентного потока ( Re > 2000), что указывает на то, что поток жидкости в процессе SLM является ламинарным. Это означает, что эффект вязкости играет важную роль в потоке жидкости в ванне расплава. При атмосферном давлении 100 Па образуется более глубокая полость, а это означает, что длина траектории ряби (исходящей от передней стенки полости) больше.Конечно, волновой поток испытывает более серьезное рассеяние вязкости при более низком давлении окружающей среды, чем при атмосферном давлении. Следовательно, можно понять, что при вакууме или более низком давлении окружающей среды пульсация потока — основная причина шероховатости поверхности — может легче рассеиваться за счет вязкого эффекта расплавленной жидкости и качества поверхности отпечатанных дорожек. можно значительно улучшить, как показано на рис. 8.

《4. Выводы》

4. Выводы

Сначала была разработана мезоскопическая модель процесса SLM при переменном давлении окружающей среды, а затем были исследованы явления переноса при атмосферном давлении и давлении окружающей среды 100 Па.Основные выводы таковы:

(1) Трехмерная теплопередача и поведение потока жидкости в ванне расплава, а также морфология печати при переменном давлении окружающей среды могут быть смоделированы с помощью модели. Прогнозируемые размеры ванны расплава согласуются с результатами независимых литературных источников.

(2) Полость, образованная давлением отдачи, вызванным испарением, легче формируется в передней части мезоскопической ванны расплава при более низком давлении окружающей среды. Средняя температура поверхности полости приближается к 2800 К при атмосферном давлении, а 2300 К достигает только при атмосферном давлении 100 Па.Это в первую очередь связано с тем, что температура кипения нержавеющей стали намного ниже при низком давлении окружающей среды, и материал легче испаряется в среде с более низким давлением.

(3) Процесс печати SLM в режиме «замочная скважина» более вероятен, и более сильные потоки существуют на боковых сторонах ванны расплава при более низком давлении окружающей среды, потому что разница между поверхностным давлением, вызванным испарением, и давлением окружающей среды — важная движущая сила потока расплава — при давлении окружающей среды 100 Па относительно больше, чем при атмосферном давлении.

(4) Выявлена ​​взаимосвязь между явлениями переноса и улучшением качества печати при более низком давлении окружающей среды: отсутствие плавления порошка может быть значительно улучшено, поскольку плавильная способность порошков значительно улучшается за счет содействия конвективной теплопередаче; и может быть получена более гладкая поверхность отпечатанных дорожек, поскольку волнообразный поток, который является основной причиной шероховатости поверхности, может легче рассеиваться за счет вязкого эффекта расплавленной жидкости при более низком давлении окружающей среды.

《Благодарности》

Благодарности

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом молодых ученых-отличников (52022033) и Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (2017YFE0100100 и 2018YFB1105300) и частично поддержано Правительством Пермского края (S-26/794) и Российский фонд фундаментальных исследований (16-48-5).

《Соблюдение этических норм》

Соблюдение этических норм

Жэньчжи Ху, Манлелан Луо, Ангуо Хуанг, Цзямин Ву, Цинсонг Вэй, Шифэн Вэнь, Личао Чжан, Юшэн Ши, Дмитрий Трушников, В.Я. Беленький, И.Ю. Летягин, К. П. Карунакаран и Shengyong Pang заявляют, что у них нет конфликта интересов или финансовых конфликтов, о которых следует сообщать.

использованная литература

[1] Берман Б.3-D печать: новая промышленная революция. Автобус Horiz 2012; 55 (2): 155–62. ссылка1

[2] Лу Б, Ли Д, Тиан Х.Тенденции развития аддитивного производства и 3D-печати. Машиностроение 2015; 1 (1): 085–9. ссылка1

[3] Sames WJ, List FA, Pannala S, Dehoff RR, Babu SS.Металлургия и технология обработки металлов аддитивным производством. Int Mater Rev 2016; 61 (5): 315–60. ссылка1

[4] Гу Д.Д., Майнерс В., Виссенбах К., Поправе Р.Лазерное аддитивное производство металлических деталей: материалы, процессы и механизмы. Int Mater Rev 2012; 57 (3): 133–64. ссылка1

[5] Ван Х.М.Фундаментальные вопросы материалов в лазерном аддитивном производстве для высокопроизводительных крупных металлических деталей. Acta Aeronaut Astronaut Sin 2014; 35 (10): 2690–8. Китайский язык.

[6] Чжан Б., Ляо Х., Кодде С. Селективное лазерное плавление технически чистого Ti в вакууме.Vacuum 2013; 95: 25–9. Исправление в: Vacuum 2018; 152: 358.

[7] Сато Ю., Цукамото М., Ямасита Ю. Морфология поверхности пластины Ti – 6Al – 4V, изготовленной методом вакуумно-селективного лазерного плавления. Appl Phys B 2015; 119 (3): 545–9.ссылка1

[8] Эвертон СК, Хирш М., Стравроулакис П., Лич Р.К., Клэр А.Т.Обзор мониторинга процесса на месте и метрологии на месте для аддитивного производства металлов. Mater Des 2016; 95: 431–45. ссылка1

[9] Чжао С., Феззаа К., Каннингем Р.В., Вен Х., Де Карло Ф., Чен Л. и др.Мониторинг в реальном времени процесса плавления лазерного порошкового слоя с использованием высокоскоростной рентгеновской визуализации и дифракции. Научный журнал 2017; 7 (1): 3602. ссылка1

[10] Ли З, Лю Х, Вэнь С., Хе П, Чжун К., Вэй К. и др.Трехмерный мониторинг на месте геометрических характеристик в процессе аддитивного производства порошковой пленки и сплавления с помощью визуальных методов. Датчики 2018; 18 (4): 1180. ссылка1

[11] Хайраллах С.А., Андерсон А.Мезоскопическая имитационная модель селективного лазерного плавления порошка нержавеющей стали. J Mater Process Technol 2014; 214 (11): 2627–36. ссылка1

[12] Кёрнер Ч., Аттар Э., Хайнл П.Мезоскопическое моделирование процессов селективного пучкового плавления. J Mater Process Technol 2011; 211 (6): 978–87. ссылка1

[13] Хайраллах С.А., Андерсон А.Т., Рубенчик А., Кинг В.Е.Аддитивное производство лазерной порошковой наплавки: физика сложного течения расплава и механизмы образования пор, брызг и зон денудации. Acta Mater 2016; 108: 36–45. ссылка1

[14] Болей С.Д., Хайраллах С.А., Рубенчик А.М..Расчет поглощения лазерного излучения металлическими порошками в аддитивном производстве. Appl Optics 2015; 54 (9): 2477–82. ссылка1

[15] Ли Ю.С., Чжан В.Мезоскопическое моделирование теплопередачи и потока жидкости в аддитивном производстве лазерного порошкового слоя. В: Материалы Международного симпозиума по изготовлению твердых тел произвольной формы 2015 г .; 2015 10–12 августа; Остин, Техас, США; 2015. с. 1154–65.

[16] Панвизавас Ч., Цю Ч., Андерсон М.Дж., Совани Й., Тернер Р.П., Атталлах М.М. и др.Мезомасштабное моделирование селективного лазерного плавления: термогидродинамика и эволюция микроструктуры. Comput Mater Sci 2017; 126: 479–90. ссылка1

[17] Мэтьюз М.Дж., Гусс Дж., Хайраллах С.А., Рубенчик А.М., Депонд П.Дж., Кинг В.Е.Денудация слоев металлического порошка в процессах наплавки лазерного порошка. Acta Mater 2016; 114: 33–42. ссылка1

[18] Амато К.Н., Гайтан С.М., Мурр Л.Е., Мартинес Э., Шиндо П.В., Эрнандес Дж. И др.Микроструктура и механическое поведение Inconel 718, полученного методом селективного лазерного плавления. Acta Mater 2012; 60 (5): 2229–39. ссылка1

[19] Гюртлер Ф. Дж., Карг М., Лейтц К. Х., Шмидт М.Моделирование лазерной плавки стальных порошков методом трехмерного объема жидкости. Физические процедуры 2013; 41: 881–6. ссылка1

[20] Чен З, Сян Ю, Вэй З, Вэй П, Лу Б, Чжан Л. и др.Термодинамическое поведение при селективном лазерном плавлении суперсплава К418: численное моделирование и экспериментальная проверка. Appl Phys A 2018; 124 (4): 313. ссылка1

[21] Гу Д, Юань П.Поведение термической эволюции и гидродинамика при лазерном аддитивном производстве нанокомпозитов на основе алюминия: основная роль весовой доли армирования. Журнал прикладной физики 2015; 118 (23): 233109. ссылка1

[22] Пан С., Чен Х, Чжоу Дж, Шао Х, Ван К.Трехмерная нестационарная многофазная модель динамики замочной скважины, парового шлейфа и сварочной ванны при лазерной сварке, включая влияние давления окружающей среды. Opt Lasers Eng 2015; 74: 47–58. ссылка1

[23] Ху Р, Пан С., Чен Х, Лян Л., Шао Х.Метод адаптивного уточнения сетки на основе октодерева для трехмерного моделирования лазерной сварки в режиме замочной скважины. Int J Heat Mass Transfer 2017; 115 (Pt A): 258–63. ссылка1

[24] Чжоу Дж., Цай Х.Л., Ленхофф Т.Ф.Исследование явлений переноса и дефектообразования при импульсной лазерной сварке «замочную скважину» оцинкованных сталей. J. Phys D 2006; 39 (24): 5338–55. ссылка1

[25] Пан С., Чен В., Чжоу Дж., Ляо Д.Самосогласованное моделирование динамики замочной скважины и сварочной ванны при тандемной двухлучевой лазерной сварке алюминиевого сплава. J Mater Process Technol 2015; 217: 131–43. ссылка1

[26] Скардовелли Р., Залески С.Прямое численное моделирование свободной поверхности и межфазного потока. Annu Rev Fluid Mech 1999; 31 (1): 567–603. ссылка1

[27] Линь Р., Ван Х., Лу Ф., Соломон Дж., Карлсон Б.Численное исследование динамики замочной скважины и образования пористости, вызванной замочной скважиной, при дистанционной лазерной сварке алюминиевых сплавов. Int J Heat Mass Transfer 2017; 108 (Pt A): 244–56. ссылка1

[28] Ху Р, Чен Х, Ян Дж, Гонг С., Панг С.Перенос металла в электронно-лучевой 3D-печати с подачей проволоки: режимы, динамика и критерий перехода. Int J Heat Mass Transfer 2018; 126 (Pt B): 877–87. ссылка1

[29] Пан С., Хирано К., Фаббро Р., Цзян Т.Объяснение изменения глубины проплавления при лазерной сварке при переменном давлении окружающей среды. Приложение J Laser Appl 2015; 27 (2): 022007. ссылка1

[30] Фаббро Р., Хирано К., Панг С.Анализ физических процессов, происходящих при лазерной сварке с глубоким проплавлением при пониженном давлении. J Laser Appl 2016; 28 (2): 022427. ссылка1

[31] Семак В., Мацунава А.Роль давления отдачи в энергетическом балансе при лазерной обработке материалов. J. Phys D 1997; 30 (18): 2541–52. ссылка1