Die sich entwickelnden Standards für additiv gefertigte Materialien schaffen eine wachsende Nachfrage nach Tests von kleinen Proben bei hohen Temperaturen. Erfahren Sie, wie MTS und TRUMPF multiphysikalische Simulationen eingesetzt haben, um die Leistung von Griff- und Heizspulendesigns vorherzusagen, bevor physische Prototypen für TMF-Tests von additiv gefertigten Materialien gebaut wurden.
TMF-Simulationsübersicht
Obwohl MTS bereits einen patentierten Griff für kleine Probenprüfungen mit einer statischen Belastbarkeit von 2,2 kN und einer dynamischen Belastbarkeit von 1,1 kN für Zug- und vollumfängliche Ermüdungsanwendungen entwickelt hatte, erforderte diese Anwendung eine höhere Belastbarkeit. Für diese Simulation bestand die vorgeschlagene Lösung aus einem mechanischen Griff mit einer Belastbarkeit von 5 kN bei vollumfänglicher Ermüdung und einer offenen Gabelinduktionsspule.
Simulationsanforderungen
Die Merkmale der multiphysikalischen Simulation umfassten:
- Fähigkeit, 2D- und 3D-Simulationen je nach Geometrie von Probe und Spule bereitzustellen
- Elektromagnetisches Feld der Induktionsspule wird typischerweise als Frequenzbereichsproblem simuliert
- Thermisches Feld innerhalb der Probe kann entweder stationär oder transient simuliert werden
- Thermische und magnetische Felder können über temperaturabhängige Materialeigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, relative Permeabilität, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme gekoppelt werden
- Berücksichtigung des Wärmeübertrags durch Strahlung, Konvektion und Leitung
- Berücksichtigung von Randwirkungen aufgrund der Greifung der Enden der Probe, die an potenziell wassergekühlte Griffe angebracht sind
Zusätzliche spezifische Anforderungen für die Heizungsanwendung:
- Maximal erreichbare Temperatur: 900°C
- Anstiegsraten für Heizung und Kühlung: 30 K/s
- Einheitliche Temperaturverteilung über die Länge der Messstelle: innerhalb von 10 K
Simulationsergebnisse
Mit dieser Simulation erzielten MTS und TRUMPF die folgenden Ergebnisse:
- Temperatur bis zu 900°C
- Heizraten bis zu 30 K/s
- Kühlraten waren stark von den Temperaturwerten an den Griffen abhängig
- Delta T über die Länge der Messstelle betrug 14,8 K, eine bessere Uniformität könnte durch zusätzliche Iterationen der Spulenkonstruktion erreicht werden
- Gabelartige Spule mit offenem Vorderteil erfüllte die meisten Heizungsanforderungen und alle Zugänglichkeitsanforderungen
Fazit
Die Simulation ist eine effiziente, kostengünstige Möglichkeit, vorgeschlagene Designs von Griffen und Heizspulen zu bewerten, bevor physische Prototypen gebaut werden. MTS und TRUMPF können modellbasierte Konstruktionen nutzen, um Risikobereiche zu identifizieren und die Komponentenentwürfe für TMF-Tests von additiv gefertigten Materialien zu verbessern.
