La evolución de los estándares para los materiales fabricados aditivamente está generando una mayor demanda de pruebas de pequeños especímenes a altas temperaturas. Aprenda cómo MTS y TRUMPF utilizaron la simulación multifísica para predecir el rendimiento de los diseños de agarres y bobinas de calentamiento antes de construir prototipos físicos para la prueba TMF de materiales fabricados aditivamente.
Descripción General de la Simulación TMF
Aunque MTS ya había desarrollado un agarre patentado para pruebas de pequeños especímenes con una capacidad de carga estática de 2.2 kN y una capacidad de carga dinámica de 1.1 kN para aplicaciones de tracción y fatiga completamente reversa, esta aplicación requería una mayor capacidad de carga. Para esta simulación, la solución propuesta consistía en un agarre mecánico clasificado en 5 kN en carga de fatiga completamente reversa y una bobina de inducción de estilo de horquilla abierta.
Requisitos de Simulación
Las características de la simulación multifísica incluyeron:
- Capacidad para desplegar simulaciones en 2D y 3D dependiendo de la geometría del espécimen y de la bobina
- Campo electromagnético de la bobina de inducción típicamente simulado como un problema en el dominio de frecuencia
- El campo térmico dentro del espécimen podría ser simulado como estacionario o transitorio
- Los campos térmicos y magnéticos podrían acoplarse a través de propiedades del material dependientes de la temperatura, como la conductividad eléctrica, la permeabilidad relativa, la conductividad térmica y la capacidad calorífica específica
- Consideración de la transferencia de calor a través de radiación, convección y conducción
- Consideración de efectos de extremo debido al agarre de los extremos del espécimen que se conectan a agarraderas potencialmente refrigeradas por agua
Requisitos específicos adicionales para la aplicación de calentamiento:
- Temperatura máxima alcanzable: 900°C
- Tasas de aumento para calefacción y enfriamiento: 30 K/s
- Distribución uniforme de temperatura a lo largo de la longitud de la medida: dentro de 10 K
Resultados de la Simulación
Con esta simulación, MTS y TRUMPF lograron los siguientes resultados:
- Temperatura de hasta 900°C
- Tasas de calefacción de hasta 30 K/s
- Las tasas de enfriamiento dependían en gran medida de los valores de temperatura en los agarres
- Delta T a lo largo de la longitud de la medida fue de 14.8 K, se podría lograr una mejor uniformidad a través de iteraciones adicionales en el diseño de la bobina
- Bobina en forma de horquilla con frente abierto cumplió con la mayoría de los requisitos de calefacción y de accesibilidad
Conclusión
La simulación es una forma eficiente y de bajo costo para evaluar los diseños propuestos de agarres y bobinas de calefacción antes de construir prototipos físicos. MTS y TRUMPF pueden utilizar el diseño basado en modelos para identificar áreas de riesgo y mejorar los diseños de componentes para pruebas TMF de materiales fabricados aditivamente.
