Κοπή υλικών με μνήμη με χρήση laser

Abstract

This thesis consists of two discrete parts, code development in FORTRAN in order to model Nitinol behavior from ambient temperature up to melting point and Nitinol laser cutting simulation using the developed code in a finite element analysis software, Abaqus. Nitinol is a shape memory alloy with broad applications. When used in sensitive areas, such as in the medical field (stents, etc.), it is important to minimize manufacturing defects that lead to failure. Simulation of the manufacturing process can provide a fast and cheap solution to investigate potential issues. FORTRAN was used to create the subroutine VUMAT, which is used in explicit thermomechanical simulations in Abaqus. Superelasticity and shape memory effect were accurately simulated using a novel concept based on the isotropic hardening von Mises plasticity model (non-rate dependent) that utilizes a radial return mapping algorithm with plastic (transformation) correction. On top of that, for the first time, a combination of the superelastic model with the Johnson-Cook viscoplastic plasticity model, which includes strain hardening, strain rate hardening and thermal softening effects was created. Verification of this combined model was performed on a single 3D cubic element (C3D8RT) with different mechanical and thermomechanical scenarios. Laser cutting simulation was setup in Abaqus using the subroutines VDFLUX, VDLOAD and VUMAT. Using the subroutine VDFLUX, a 3D conical moving heat source was simulated with a Gaussian distribution. Laser pulses of 0.5 ms were simulated in this thesis. The subroutine VDLOAD was used to add cutting gas pressure to the simulation on the cases where it was featured. Element deletion was also introduced for the first time in a laser cutting simulation, which improves the resulting variables compared to previous efforts in literature. A non-uniform stress field was simulated for the first time, although the temperature field was uniform. Verification of the laser cutting simulations were performed by comparison to experimental results from previous work and literature. Metallographic analysis, microhardness experiments and Differential Scanning Calorimetry were some of the methods used experimentally.

Αυτή η διατριβή αποτελείται από δύο διακριτά μέρη, την ανάπτυξη κώδικα σε FORTRAN για την μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του Nitinol από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος έως το σημείο τήξης και την προσομοίωση κοπής με λέιζερ Nitinol χρησιμοποιώντας τον κώδικα που αναπτύχθηκε σε ένα λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων, το Abaqus. Το Nitinol είναι ένα κράμα μνήμης σχήματος με ευρείες εφαρμογές. Όταν χρησιμοποιείται σε ευαίσθητες περιοχές, όπως στον ιατρικό τομέα (στεντ, κ.λπ.), είναι σημαντικό να ελαχιστοποιηθούν τα κατασκευαστικά ελαττώματα που οδηγούν σε αστοχία. Η προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής μπορεί να προσφέρει μια γρήγορη και φθηνή λύση για τη διερεύνηση πιθανών προβλημάτων. Η FORTRAN χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία της υπορουτίνας VUMAT, η οποία χρησιμοποιείται σε explicit θερμομηχανικές προσομοιώσεις στο Abaqus. Η υπερελαστικότητα και το φαινόμενο μνήμης σχήματος προσομοιώθηκαν με ακρίβεια χρησιμοποιώντας μια νέα ιδέα βασισμένη στο μοντέλο πλαστικότητας ισότροπης σκλήρυνσης von Mises (μη εξαρτώμενο από τον ρυθμό) που χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο χαρτογράφησης ακτινικής επιστροφής με πλαστική διόρθωση (μετασχηματισμού). Επιπλέον, για πρώτη φορά, δημιουργήθηκε ένας συνδυασμός του υπερελαστικού μοντέλου με το μοντέλο ιξωδοπλαστικής πλαστικότητας Johnson-Cook, ο οποίος περιλαμβάνει σκλήρυνση λόγω παραμόρφωσης, σκλήρυνση λόγω ρυθμού παραμόρφωσης και θερμικά μαλάκυνση. Η επαλήθευση αυτού του συνδυασμένου μοντέλου πραγματοποιήθηκε σε ένα τρισδιάστατο κυβικό στοιχείο (C3D8RT) με διαφορετικά μηχανικά και θερμομηχανικά σενάρια. Η προσομοίωση κοπής με λέιζερ δημιουργήθηκε στο Abaqus χρησιμοποιώντας τις υπορουτίνες VDFLUX, VDLOAD και VUMAT. Χρησιμοποιώντας την υπορουτίνα VDFLUX, προσομοιώθηκε μια τρισδιάστατη κωνική κινούμενη πηγή θερμότητας με Gaussian κατανομή. Σε αυτή τη διατριβή προσομοιώθηκαν παλμοί λέιζερ 0,5 ms. Η υπορουτίνα VDLOAD χρησιμοποιήθηκε για την προσθήκη πίεσης αερίου κοπής στην προσομοίωση στις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιήθηκε. Η διαγραφή στοιχείων εισήχθη επίσης για πρώτη φορά σε μια προσομοίωση κοπής με λέιζερ, η οποία βελτιώνει τις προκύπτουσες μεταβλητές σε σύγκριση με προηγούμενες προσπάθειες στη βιβλιογραφία. Ένα μη ομοιόμορφο πεδίο τάσης προσομοιώθηκε για πρώτη φορά, αν και το πεδίο θερμοκρασίας ήταν ομοιόμορφο. Η επαλήθευση των προσομοιώσεων κοπής με λέιζερ πραγματοποιήθηκε με σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα από προηγούμενες εργασίες και βιβλιογραφία. Η μεταλλογραφική ανάλυση, τα πειράματα μικροσκληρότητας και η Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης ήταν μερικές από τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά.