UPOŠTEVANJE TRKOV DELCEV PRAHU S STENO ŠOBE PRI OBLIKOVANJU IZSTOPNE GEOMETRIJE AKSIALNE ŠOBE ZA DOVOD PRAHU PRI LASERSKI DIREKTNI DEPOZICIJI

Raziskovalci Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani so v sodelovanju z raziskovalci japonskega podjetja DMG MORI objavili rezultate numeričnih in eksperimantalnih raziskav vpliva trkov delcev prahu s steno na obliko izstopne geometrije aksialne šobe za dovod prahu pri laserski direktni depoziciji.  Asist. dr. Andrej Jeromen, asistent raziskovalec Ana Vidergar,  dr. Makoto Fujishima, prof. dr. Gideon N. Levy, in prof. dr. Edvard Govekar  so članek z naslovom "Powder particle–wall collision-based design of the discrete axial nozzle-exit shape in direct laser deposition" objavili v reviji Journal of materials processing technology (IF: 6.162).

Za izboljšanje učinkovitosti procesa direktne laserske depozicije kovinskega prahu je potrebna visoka koncentrirana porazdelitev toka prahu, na katero lahko vplivamo z obliko šobe za dovajanje prahu. V okviru raziskave je bil razvit poenostavljen 3D numerični model toka prahu v izstopnem konusu šobe, ki temelji na trku delcev prahu s steno konusa. Oblika izstopne šobe je bila parametrizirana s kotom izstopnega stožca β, dolžino L in hrapavostjo površine.

^{Slika 1. a) Parametri konične izstopne oblike šobe in primeri trajektorij težišča delcev kot posledica trkov s steno konusa. Razmere trka delcev s steno pri divergentnem izstopnem konusov primeru b) gladke površine, c) hrapave povšine}  

Model je bil uporabljen za simulacijo vplivov oblike izstopa iz šobe na koncentracijo in premer d₉₀ porazdelitve toka prahu.

^{Slika 2. Rezultati simulacij premera d₉₀ izstopnega curka v odvisnosti od dolžine izstopnega konusa, L: a) pri gladki površini (standardna deviacija kota hrapavosti površine σ_γ = 0) in različnih kotih izstopnega konusa, β, ter b), c) in d) pri kotih izstopnega konusa β = 0°, 3.5°, and 7.2°, za različne standardne deviacije kota hrapavosti površine, σ_γ.}

Na podlagi rezultatov simulacije (Slika 2) so bile oblikovane šobe s tremi divergentnimi koti  izstopnega konusa (0° – oblika A, 3,5° – oblika B in 7,2°- obloka C,  3,5° – polirana oblika B_p), različnih dolžin in hrapavosti površine. Za prahova z večjimi povprečnimi  velikostmi delcev prahu 82 µm in 132 µm je  bil eksperimentalno potrjena dominantnost vpliva režima trka delcev prahu s steno šobe na porazdelitev izstopnega curka prahu, ter posledično vpliv oblike izhoda šobe na koncentracijo porazdelitve izstopnega toka prahu (Slika 3). Eksperimentalno je bilo pokazano znatno zmanjšanje premera curka prahu s povečanjem divergentnega izstopnega kota konusa šobe in zmanjšanjem hrapavosti površine ter nelinearen vpliv dolžine izstopnega konusa.

^{Slika 3. Primeri sumiranih zajetih posnetkov.}

Z izvedbo  enoslojnih nanosov  prahu (Slika 4) je bilo pokazano, da se je s spremembo oblike izstopne oblike šobe izkoristek prahupovečal za 13 % zaradi povečanega kota izstopnega stožca šobe in za 19 % zaradi zmanjšanja hrapavosti površine.

^{Fig 4. Primeri posnetkov prerezov nanosov prahu}

 

Povezava do članka: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2022.117704