Heat Transfer Model for Powder Bed Temperature Management of the Binder Jetting Printing Process

L’impression par jet de liant (BJ) est une technologie de fabrication additive (AM) sur lit de poudre qui présente un grand potentiel pour la production de masse de composants métalliques complexes. La BJ se différencie d'autres procédés d'AM métalliques bien établis, tels que la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et la déposition directe d'énergie (DED), par un processus d'impression à l'état solide. L'utilisation d'un liant permet d'assembler sélectivement des couches de poudre, couche par couche, sans qu'il soit nécessaire de les faire fondre. Pour BJ, les structures de support ne sont pas nécessaires, car les pièces imprimées sont soutenues par le lit de poudre jusqu'à ce que le liant soit durci. Cela permet d'imbriquer étroitement de nombreuses pièces imprimées à l'intérieur du lit de poudre d'une seule impression, ce qui permet une productivité élevée. De la chaleur est souvent appliquée à l'aide de lampes infrarouges ou d'une boîte de construction chauffée pour sécher partiellement le liant. Le séchage permet de minimiser les défauts d'impression, tels que le ressuage et le décollement des couches, en limitant la diffusion du liant aux zones prévues dans le lit de poudre avant le durcissement. Pour garantir l'uniformité lors de la production de masse, plusieurs paramètres tels que la vitesse de recouvrement, la puissance de la lampe, la température de la boîte de fabrication et le temps de prise du liant doivent être optimisés. Par conséquent, l'utilisation d'approches expérimentales est inefficace, car elles sont coûteuses et prennent du temps. Ce travail vise à développer un modèle de transfert de chaleur pour simuler l'historique thermique du lit de poudre. La gestion thermique du lit de poudre joue un rôle crucial dans le contrôle de la viscosité du liant et la minimisation des défauts pendant l'impression. La méthode des éléments finis (FEM) a été utilisée avec le logiciel ANSY APDL pour obtenir l'historique thermique du lit de poudre. L'approche de modélisation a ensuite été validée à l'aide des données d'une caméra thermique obtenues à partir d'une impression de 180 couches d'acier inoxydable 316L, composée de 27 spécimens dans deux formats différents. Trois zones d'intérêt ont été identifiées et utilisées pour évaluer la précision des résultats de la simulation. La température de la paroi de la boîte de construction, la température de la plaque de base, la vitesse de recouvrement, la puissance de la lampe, l'épaisseur de la couche, le temps de prise du liant et la saturation du liant ont été utilisés comme données d'entrée pour le modèle. Le modèle a été limité au lit de poudre et toutes les conditions limites liées à la conduction ont été simplifiées en convection. À l'aide de la FEM, une analyse paramétrique a été menée pour déterminer le coefficient de convection qui correspond le mieux aux données expérimentales du thermocouple mesurées dans le lit de poudre.