Simulación numérica por elementos finitos del calentamiento por inducción aplicado a un proceso de manufactura aditiva de aleaciones de aluminio
Visualitza/Obre
TFM_EEBE_UPC_EnriqueManuel_HuertaQuiñones.pdf (10,21Mb) (Accés restringit)
Estadístiques de LA Referencia / Recolecta
Inclou dades d'ús des de 2022
Cita com:
hdl:2117/384413
Tipus de documentProjecte Final de Màster Oficial
Data2022-10-28
Condicions d'accésAccés restringit per acord de confidencialitat
(embargat fins 2024-10-03)
Tots els drets reservats. Aquesta obra està protegida pels drets de propietat intel·lectual i
industrial corresponents. Sense perjudici de les exempcions legals existents, queda prohibida la seva
reproducció, distribució, comunicació pública o transformació sense l'autorització del titular dels drets
Abstract
L'escalfament per inducció és el procés que consisteix a escalfar un material conductor elèctric per la generació de camps i forces electromagnètiques produint un corrent elèctric dins de la peça. L'escalfament es genera per efecte Joule a causa de la resistència del material al flux dels corrents induïts. En aquest estudi, es modelitza un procés d'escalfament per inducció aplicat al broquet d'una impressora 3D basada en la tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling, per les sigles en anglès) per a la manufactura additiva de components d'alumini.
Aquesta modelització es fa mitjançant simulació numèrica, emprant el programa comercial d'elements finits ABAQUS, i els resultats es validen experimentalment. Per a aquest procés, es requereix la simulació d'un model electromagnètic amb un model de transferència de calor per a la configuració de broquet i inductor proposada. La simulació numèrica considera les propietats elèctriques, magnètiques i tèrmiques dels materials de les parts involucrades en el procés, els diferents paràmetres de disseny de les bobines, com ara el nombre d'espires i el radi de la bobina, i la densitat de corrent elèctric i la seva freqüència.
Per a la validació experimental s'utilitza un model del broquet al qual se solden termoparells tipus K per tal de conèixer de forma detallada la temperatura assolida a diferents punts del seu interior, per a una configuració donada de la bobina d'inducció. L'objectiu d'aquest estudi és conèixer la relació entre el perfil tèrmic que es genera al broquet d'extrusió i els paràmetres que defineixen el procés, així com la validació de la simulació que permetria avaluar modificacions en el disseny de manera eficient. D'acord amb aquest coneixement s'aconsegueix un disseny que assegura un perfil uniforme de la temperatura a la paret interior del broquet, aconseguint un flux eficient de calor a través del material a extrudir. El calentamiento por inducción es el proceso que consiste en calentar un material conductor eléctrico por la generación de campos y fuerzas electromagnéticas produciendo una corriente eléctrica dentro de la pieza. El calentamiento se genera por efecto Joule debido a la resistencia del material al flujo de las corrientes inducidas. En el presente estudio, se modeliza un proceso de calentamiento por inducción aplicado a la boquilla de una impresora 3D basada en la tecnología FDM (Fused Deposition Modeling, por sus siglas en inglés) para la manufactura aditiva de componentes de aluminio.
Dicha modelización se lleva a cabo mediante simulación numérica, empleando el programa comercial de elementos finitos ABAQUS, y los resultados se validan experimentalmente. Para este proceso, se requiere la co-simulación de un modelo electromagnético con un modelo de transferencia de calor para la configuración de boquilla e inductor propuesta. La simulación numérica considera las propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas de los materiales de las partes involucradas en el proceso, los diferentes parámetros de diseño de las bobinas, tales como el número de espiras y el radio de la bobina, y la densidad de corriente eléctrica y su frecuencia.
Para la validación experimental se utiliza un modelo de la boquilla al que se sueldan termopares tipo K con el fin de conocer de forma detallada la temperatura alcanzada en diferentes puntos de su interior, para una configuración dada de la bobina de inducción. El objetivo de este estudio es conocer la relación entre el perfil térmico que se genera en la boquilla de extrusión y los parámetros que definen el proceso, así como la validación de la simulación que permitiría evaluar modificaciones en el diseño de forma eficiente. En base a este conocimiento se alcanza un diseño que asegura un perfil uniforme de la temperatura en la pared interior de la boquilla, alcanzando un flujo eficiente de calor a través del material a extruir. Induction heating is the process that consists of heating an electrically conductive ferromagnetic material by generating electromagnetic fields and forces, producing an electric current inside the part. The heating is generated by the Joule effect due to the resistance of the material to the flow of the induced currents. In the present study, an induction heating process applied to the nozzle of a 3D printer based on FDM (Fused Deposition Modeling) technology for the additive manufacturing of aluminum components is modeled.
This model is carried out by numerical simulation, using the commercial software of finite elements ABAQUS, and the results are validated experimentally. For this process, the co-simulation of an electromagnetic model with a heat transfer model for the proposed nozzle and inductor configuration is required. The numerical simulation considers the electrical, magnetic and thermal properties of the materials of the parts involved in the process, the different design parameters of the coils, such as the number of turns and the radius of the coil, and the electric current density and its frequency.
For the experimental validation, a model of the nozzle is employed to which K-type thermocouples are welded in order to know in detail the temperature reached at different positions inside it, for a given configuration of the induction coil. The objective of this study is to know the relationship between the thermal profile that is generated in the extrusion nozzle and the parameters that define the process, as well as the validation of the simulation that would allow to evaluate modifications in the design in an efficient way. Based on this knowledge, a design is achieved that ensures a uniform temperature profile on the inner wall of the nozzle, achieving an efficient flow of heat through the material to be extruded.
TitulacióMÀSTER UNIVERSITARI EN CIÈNCIA I ENGINYERIA AVANÇADA DE MATERIALS (Pla 2019)
Fitxers | Descripció | Mida | Format | Visualitza |
---|---|---|---|---|
TFM_EEBE_UPC_EnriqueManuel_HuertaQuiñones.pdf | 10,21Mb | Accés restringit |