Computational modelling of the selective laser sintering process

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Castro, João da Costa Teixeira e
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/82748
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Polímeros
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spelling Computational modelling of the selective laser sintering processSinterização Seletiva a Laser (SLS)PolímerosModelação numéricaOpenFOAMLIGGGHTSSelective Laser Sintering (SLS)PolymerNumerical modellingEngenharia e Tecnologia::Engenharia dos MateriaisDissertação de mestrado integrado em Engenharia de PolímerosA Manufatura Aditiva (AM do inglês Additive Manufacturing) tem ganho popularidade em várias indústrias importantes e exigentes devido à sua capacidade de produzir peças com geometrias complexas e pouco desperdício. Como uma das suas mais populares técnicas, a Sinterização Seletiva a Laser (SLS do inglês Selective Laser Sintering) é muito procurada por diversas indústrias que pretendem substituir processos convencionais mais dispendiosos. No entanto, o processo de SLS é intrinsecamente complexo devido aos vários fenómenos multi-fisícos e são necessários mais estudos para obter uma melhor perceção dos mesmos. Isto tem originado um elevado interesse académico em otimizar o processo para que este cumpra os requisitos industriais. Grande parte destas otimizações são feitas através de métodos experimentais que são demorados, dispendiosos e nem sempre resultam nas configurações ótimas. Este enquadramento tem motivado investigadores a recorrer à modelação computacional com o objetivo de entender melhor o processo, de modo a antecipar e corrigir defeitos. O objetivo principal do presente trabalho foi desenvolver um modelo capaz de simular o processo de SLS para aplicações poliméricas, em código de distribuição livre, à escala do tamanho da partícula. Como são necessárias abordagens distintas para simular com precisão cada etapa do processo, diferentes métodos numéricos foram aplicados para desenvolver uma ferramenta capaz de estudar o impacto, numa secção representativa da cama de pó, dos parâmetros físicos que podem ser ajustados no processo. O trabalho desenvolvido integrou diversas etapas, começando por um estudo extenso dos aspetos teóricos do processo de SLS que visou a familiarização com os fenómenos envolvidos, o desenrolar do processo, os seus parâmetros e respetivas influências, assim como a avaliação das limitações e desafios existentes. Este estudo foi seguido por uma análise detalhada dos modelos mais populares empregues para representar os principais fenómenos associados ao processo e do nível de precisão das abordagens, com base nas simplificações consideradas. Um conjunto de ferramentas computacionais foi posteriormente apresentado e os seus respetivos modelos selecionados, quando possível, de acordo com a revisão bibliográfica efetuada. Por último, vários testes foram executados, visando uma validação experimental qualitativa dos códigos utilzados, para garantir que o modelo em uso era adequado para simular o processo, permitindo o estudo e observação da influência dos principais parâmetros do processo e a evolução da sinterização. Os desenvolvimentos obtidos representam um avanço significativo para a simulação do processo de SLS. Com o uso de software open-source (LIGGGHTS e OpenFOAM), vários estudos foram feitos numa geometria realista e, apesar da ausência de dados experimentais suficientes e mais detalhados, os resultados da simulação mostraram-se bem correlacionados com os usados para comparação. Em suma, o trabalho efetuado permitiu concluir que a ferramenta desenvolvida apresenta um elevado potencial para estudar, com detalhe, o processo de SLS e a influência dos seus parâmetros e, deste modo, contribuir para a sua otimização.Additive Manufacturing (AM) has increased in popularity in numerous important and demanding industries due to the capability of manufacturing parts with complex geometries with little wastage. As one of its most popular techniques, Selective Laser Sintering (SLS) is sought after by several industries that aim to replace conventional and more expensive processes. However, the SLS process is intrinsically complex due to the various underlying multi-physics phenomena and more studies are needed to obtain more insights about it. These has resulted in many academical interests to optimize the process and allow it to achieve industrial standards. Most of these optimization attempts are performed through experimental methods that are time consuming, expensive and do not always provide the optimal configurations. This has lead researchers to resort to computational modelling, aiming at better understanding the process to anticipate and fix the defects. The main objective of the present work was to develop a model capable of simulating the SLS process for polymeric applications, within an open-source framework, at particle length scale. Since distinct approaches are required for accurately simulating each step of the SLS process, different numerical methods were employed to develop a tool capable of studying the impact, in a representative section of the powder bed, of the physical parameters that can be adjusted in the process. The developed work comprised several steps, starting with an extensive study of the theoretical aspects of the SLS process that aimed at the acquaintance with the involved phenomena, process unwind, its parameters and their influence, as well as evaluating the existing limitations and challenges. This study was then followed by a detailed analysis of the most common employed models to represent the major phenomena and of the accuracy level of the approaches, based on the employed simplifications. A set of computational tools was then exhibited and their built in models were selected, when possible, according to the precedent literature review. Lastly, various tests were carried to obtain an experimental qualitative validation of the used code, to assure that the used model was adequate to simulate the process, allowing the study and observation of the principal parameter influence and sintering progression. The achieved developments represent a significant advance towards the SLS process simulation. With the use of open-source software (LIGGGHTS e OpenFOAM), several studies were performed on a realistic geometry and, despite the absence of enough and more detailed experimental data, the simulation results are in agreement with the ones used for comparison. Overall, the accomplished work allowed to conclude that the developed tool constitutes a great potential to study, in detail, the SLS process and its parameters influence and, therefore, contribute to its optimization.Financially, I acknowledge the support of National Funds through FCT - Portuguese Foundation for Science and Technology, Reference UID/CTM/50025/2019 and UIDB/04436/2020, and project SIFA - Sistema Inteligente de Fabricação Aditiva (POCI 01-0247-FEDER-047108). I also acknowledge the computing facilities support by Search-ON2: Revitalization of HPC Infrastructure of UMinho (project no. NORTE-07-0162-FEDER-000086), co-funded by the North Portugal Regional Operational Programme (ON.2 -- O Novo Norte), under the National Strategic Reference Framework (NSRF), through the European Regional Development Fund (ERDF).Nóbrega, J. M.Costa, Ricardo Daniel Pereira daUniversidade do MinhoCastro, João da Costa Teixeira e2022-12-202022-12-20T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/82748eng203147197info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T11:56:33Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/82748Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T18:46:09.893615Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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