Computational and empirical modeling of additive manufacturing processes

Το ενδιαφέρον για τις διαδικασίες Προσθετικής Κατασκευής-Additive Manufacturing (AM) αυξάνεται συνεχώς λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών AM όσον αφορά το υλικό, τον μηχανισμό της διεργασίας και τον τύπο της μηχανής. Μια σημαντική πτυχή που είναι κοινή σε όλες τις διεργασίες AM είναι η κίνηση της κεφαλής της μηχανής, η οποία επηρεάζει άμεσα την ποιότητα και το χρόνο παραγωγής και ορίζεται από την διαδρομή που ακολουθείται προκειμένου να σαρωθεί η επιθυμητή επιφάνεια (στρατηγική σάρωσης) και από την ταχύτητα της κεφαλής της μηχανής κατά τη διάρκεια αυτών των κινήσεων. Η γνώση ολόκληρης της εξέλιξης της διεργασίας είναι κρίσιμη για τη βελτιστοποίηση της στρατηγικής σάρωσης και της ταχύτητας της κεφαλής, καθώς και για άλλες σημαντικές παραμέτρους της διεργασίας. Ωστόσο, η πλειονότητα των μελετών επικεντρώνεται στην προσομοίωση είτε πολύ μικρού χρόνου παραγωγής είτε πολύ μικρών/απλών εξαρτημάτων, αδυνατώντας έτσι να παρουσιάσει μια ολιστική επισκόπηση των επιπτώσεων της κίνησης της κεφαλής της μηχανής στην ποιότητα. Σε αυτή τη διατριβή έλαβε χώρα η μοντελοποίηση διεργασιών ΑΜ με σκοπό την διερεύνηση της επίδρασης της κίνησης της κεφαλής της μηχανής (διαδρομή και ταχύτητα) στην ποιότητα των παραγόμενων εξαρτημάτων. Οι αρχές του model based system engineering (MBSE) ελήφθησαν υπόψιν για την ανάπτυξη των μοντέλων και του πλαισίου έρευνας που ακολουθήθηκε. Πιο συγκεκριμένα, οι υπάρχουσες διεργασίες AM κατηγοριοποιήθηκαν με βάση τρεις άξονες: τη θερμοκρασία της διεργασίας, το μέγεθος των παραγόμενων εξαρτημάτων και την πολυπλοκότητα της διεργασίας. Θεωρώντας τις διεργασίες AM σαν ένα ευρύτερο σύνολο, επιλέχθηκε μια διαφορετική διεργασία AM για τη διερεύνηση καθενός από τα στοιχεία της κίνησης της κεφαλής: η διερεύνηση της επίδρασης της στρατηγικής σάρωσης στην ποιότητα πραγματοποιήθηκε με τη μοντελοποίηση διεργασιών ΑΜ μετάλλου, ενώ η επίδραση της ταχύτητας της κεφαλής στην ποιότητα διερευνήθηκε μέσω της μοντελοποίησης διεργασιών ΑΜ υλικών με βάση το τσιμέντο. Αυτή η επιλογή στηρίζεται στην εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση, καθώς και ανάλυση που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Για τη διερεύνηση της στρατηγικής σάρωσης έλαβε χώρα η αριθμητική μοντελοποίηση διεργασιών ΑΜ Powder Bed Fusion (PBF) υλικών με βάση το μέταλλο. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα λογισμικό προσομοίωσης του θερμικού πεδίου το οποίο επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων όσον αφορά την ανάπτυξη θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων, λαμβάνοντας υπόψιν την στρατηγική σάρωσης και τις παραμέτρους της διεργασίας. Αυτό καθίσταται δυνατόν λόγω του αναπτυχθέντος Stress Formation Tendency Index (SFTI), το οποίο αντικατοπτρίζει την τάση για την δημιουργία θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων κατά την παραγωγή ενός κομματιού, χωρίς να απαιτείται ο υπολογισμός τους, και βασίζεται στην ανομοιομορφία του θερμικού πεδίου. Ο υπολογισμός του θερμικού πεδίου απαιτεί πολύ λιγότερο χρόνο και υπολογιστικούς πόρους απ’ ότι αυτός των θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων. Συνεπώς, το εργαλείο που αναπτύχθηκε καθιστά δυνατή την προσομοίωση ολόκληρης της διεργασίας παραγωγής, ακόμη και για σύνθετα εξαρτήματα, λαμβάνοντας υπόψιν την ακριβή κίνηση της κεφαλής της μηχανής. Για τη διερεύνηση της επίδρασης της ταχύτητας της κεφαλής στην ποιότητα ακολουθήθηκε μια εμπειρική προσέγγιση μοντελοποίησης ΑΜ υλικών με βάση το τσιμέντο. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια πειραματική διάταξη και έλαβαν χώρα δύο τύποι πειραμάτων, γραμμικής και περιστροφικής εναπόθεσης. Ακολουθήθηκε μια εναλλακτική στρατηγική ελέγχου, σύμφωνα με την οποία το πλάτος εναπόθεσης ελέγχεται από την αναλογία της ταχύτητας εξώθησης έναντι της ταχύτητας κίνησης της κεφαλής. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η υψηλότερη ακρίβεια και παραγωγικότητα. Κατόπιν, έλαβε χώρα ο προγραμματισμός των πειραμάτων και η εμπειρική μοντελοποίηση για την διερεύνηση της επίδρασης σημαντικών παραμέτρων διεργασίας στην ποιότητα: της ταχύτητα εξώθησης, της αναλογίας της ταχύτητας εξώθησης/κεφαλής της μηχανής και της ακτίνας υπό την οποία πραγματοποιείται η εναπόθεση. H ερευνητική συνεισφορά της συγκεκριμένης διατριβής επικεντρώνεται στα ακόλουθα σημεία: 1. Διερεύνηση των κύριων προκλήσεων που αντιμετωπίζει το AM. 2. Ανασκόπηση και κατηγοριοποίηση των υπαρχόντων μοντέλων-προσομοιώσεων για διεργασίες AM. 3. Χρήση μοντελοποίησης για τη διερεύνηση της επίδρασης της κίνησης της κεφαλής της μηχανής (διαδρομή και ταχύτητα) με σκοπό την βελτίωση της ποιότητας. 4. Ανάπτυξη πλαισίου μοντελοποίησης με σκοπό την αύξηση της αποτελεσματικότητας και της πρακτικότητας των προσομοιώσεων για διεργασίες AM. 5. Ανάπτυξη μοντέλου 2D για μεταλλικές διεργασίες ΑΜ ικανό για προσομοιώσεις σε πραγματικό χρόνο. 6. Διερεύνηση στρατηγικής σάρωσης: Ανάπτυξη 3D μοντέλου διεργασιών AM μετάλλου για τη βελτίωση της ποιότητας των τελικών κομματιών μέσω της αξιολόγησης εναλλακτικών στρατηγικών σάρωσης και άλλων σημαντικών παραμέτρων της διεργασίας. 7. Τα αναπτυχθέντα μοντέλα λαμβάνουν υπόψη την ακριβή διαδρομή της κεφαλής της μηχανής καθ’ όλη τη διάρκεια της διεργασίας, διατηρώντας τους απαιτούμενους υπολογιστικούς πόρους σε χαμηλά επίπεδα. 8. Ανάπτυξη του δείκτη SFTI, που βασίζεται στην ανομοιομορφία του θερμικού πεδίου και αντικατοπτρίζει την τάση για την δημιουργία θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων που αναπτύσσονται κατά την παραγωγή ενός κομματιού και βασίζεται στην ανομοιομορφία του θερμικού πεδίου, χωρίς να απαιτείται ο υπολογισμός τους. Το SFTI καθιστά πρακτικά δυνατή, από την άποψη του υπολογιστικού κόστους, τη χρήση μοντελοποίησης για την αξιολόγηση εναλλακτικών στρατηγικών σάρωσης για την ελαχιστοποίηση των θερμικών τάσεων και παραμορφώσεων. 9. Διερεύνηση ταχύτητας κίνησης της κεφαλής της μηχανής: Σχεδιασμός και κατασκευή πειραματικής διάταξης AM υλικών με βάση το τσιμέντο και διεξαγωγή σειράς πειραμάτων για τη διερεύνηση της ποιότητας της διεργασίας. 10. Διερεύνηση μιας εναλλακτικής στρατηγικής ελέγχου, σύμφωνα με την οποία το πλάτος της εναπόθεσης ελέγχεται από την αναλογία της ταχύτητας εξώθησης έναντι της ταχύτητας της κεφαλής, προσφέροντας μεγαλύτερη ακρίβεια και παραγωγικότητα. 11. Επαλήθευση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά αποτελέσματα και εμπορικά πακέτα προσομοίωσης. 12. Εξαγωγή συμπερασμάτων και για τις υπόλοιπες ομάδες διεργασιών AM.

Numerical and Experimental Study on Optimization of Coil Springs used in Vehicles’ Suspension System

In general, the suspension systems are used to absorb vibrations, bump, rolls, dip from shock loads due to road surface irregularities. It performs its major role without affecting the vehicles’ stability and overall handling during operation. Coil springs are used as suspension element in light vehicles to attenuate unwanted vibrations. A spring is an elastic object used to store mechanical energy and it can be twisted, pulled or extended by some force and can return to its initial position when the force is released. In this study, mild steel material was taken into consideration in designing and fabricating coil springs. Theoretical and experimental investigations were conducted to calculate springs’ stiffness and to make validation between them. Three model of springs having coils 10, 11, 14 respectively are designed which have slight stiffness difference both theoretically and experimentally. The models were analyzed to determine mechanical behaviors for randomly chosen loading conditions ranging from 29.4 N to 176.4 N which are better suited with spring size. It is noted from both numerical and experimental investigations that deflection is high when the stiffness is less and vice-versa. In addition, shear stress formation increases with the increment of stiffness and applied load. Hence, springs having high stiffness are used in suspension system to reduce vibration and other disturbances. This study shows springs of having high stiffness are comparatively compact in size and cost economic as well.

Flowback Test Analyses at the Utah Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE) Site

In 2017 and 2019, injection testing was carried out in three zones in a vertical well in granite at the Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy site near Milford, Utah, USA. In several injection cycles, flowback was implemented rather than shut-in. The goal was to explore an alternative to prolonged shut-in periods for inferring closure stress, formation compressibility, and formation permeability (permeability thickness product). The flowback procedures involved a cyclic flowback/shut-in, while pressure decreased. The flowback data are presented, and analyses are shown. The inferred closure stress(es) from flowback analyses are lower than for equivalent injection cycles that were strictly shut-in. Relatively high formation compressibility obtained from the flowback analyses indicates an extensive, fractured system. This study also includes numerical simulation of the flowback events. The numerical model shows that the rebound pressure is not necessarily the lower bound of the minimum principal stress. The signature of stiffness change can be identified as the process when the depletion mainly transitions from hydraulic fracture to natural fractures from numerical analysis. Overall, flowback potentially has advantages over shut-in because of the reduced time to closure.

Features of professional stress formation in the environment of nursing staff

The aim of the study is to assess the severity of occupational stress among the nursing staff of the polyclinic of the SBHI SMKC FMBA of Russia. Results. The assessment of the level and nature, strength and frequency of professional stress of nurses of the polyclinic was carried out, typical and subjectively significant causes of stress in the professional activities of specialists were identified. Conclusion. Coping strategies for coping with stress by nursing staff have been determined. As a result of the work done, it was found that occupational stress among the nursing staff of the polyclinic is a significant problem and needs to be taken appropriate measures. It was found that the development of stress is influenced by such factors as medical experience and the specifics of work. This problem seems to be very relevant in connection with the direct influence of stress on health, mental stability and professionalism of nurses. The focus of the problem of professional stress is the correspondence or inconsistency of the potential capabilities of the professional and the social conditions of his activities.

COMPUTATIONAL MICROSTRUCTURE-BASED ANALYSIS OF RESIDUAL STRESS EVOLUTION IN METAL-MATRIX COMPOSITE MATERIALS DURING THERMOMECHANICAL LOADING

A technique for computer simulation of three-dimensional structures of materials with reinforcing particles of complex irregular shapes observed in the experiments is proposed, which assumes scale invariance of the natural mechanical fragmentation. Two-phase structures of metal-matrix composites and coatings of different spatial scales are created, with the particles randomly distributed over the matrix and coating computational domains. Using the titanium carbide reinforcing particle embedded into the aluminum as an example, plastic strain localization and residual stress formation along the matrix-particle interface are numerically investigated during cooling followed by compression or tension of the composite. A detailed analysis is performed to evaluate the residual stress concentration in local regions of bulk tension formed under all-round and uniaxial compression of the composite due to the concave and convex interfacial asperities.

PSYCHOLOGICAL DETERMINANTS OF OCCUPATIONAL STRESS IN THE ORGANIZATION

Анализируется проблема формирования профессионального стресса в производственной среде. Обсуждаются современные подходы к раскрытию механизмов, отвечающих за негативное восприятие работниками условий профессиональной деятельности в рамках отечественной психологической школы. Указываются возможные негативные проявления стресса на психологическом уровне у сотрудников организации. Приводятся результаты психодиагностического тестирования трудового коллектива, раскрываются особенности проявления показателей эмоционального выгорания и конфликтного поведения на примере педагогического коллектива. The article analyzes the problem of occupational stress formation in the production environment. Modern approaches to the disclosure of mechanisms responsible for the negative perception by employees of the conditions of professional activity within the framework of the domestic psychological school are being discussed. Possible negative manifestations of stress at the psychological level of employees are indicated. The results of psychodiagnostic testing of the labor collective are presented, revealing the features of the manifestation of indicators of emotional burnout and conflict behavior using the example of the pedagogical team.

Effects of p-Cresol on Oxidative Stress, Glutathione Depletion, and Necrosis in HepaRG Cells: Comparisons to Other Uremic Toxins and the Role of p-Cresol Glucuronide Formation

The toxicological effects of p-cresol have primarily been attributed to its metabolism products; however, very little human data are available in the key organ (i.e., liver) responsible for the generation of these metabolites. Experiments were conducted in HepaRG cells utilizing the following markers of cellular toxicity: 2′-7′-dichlorofluorescein (DCF; oxidative stress) formation, total cellular glutathione (GSH) concentration, and lactate dehydrogenase (LDH; cellular necrosis) release. Concentrations of p-cresol, p-cresol sulfate, and p-cresol glucuronide were determined using validated assays. p-Cresol exposure resulted in concentration- and time-dependent changes in DCF (EC50 = 0.64 ± 0.37 mM at 24 h of exposure) formation, GSH (EC50 = 1.00 ± 0.07 mM) concentration, and LDH (EC50 = 0.85 ± 0.14 mM) release at toxicologically relevant conditions. p-Cresol was also relatively more toxic than 3-carboxy-4-methyl-5-propyl-2-furanpropanoic acid, indole-3-acetic acid, indoxyl sulfate, kynurenic acid, and hippuric acid on all markers. Although the exogenous administration of p-cresol sulfate and p-cresol glucuronide generated high intracellular concentrations of these metabolites, both metabolites were less toxic compared to p-cresol at equal-molar conditions. Moreover, p-cresol glucuronide was the predominant metabolite generated in situ from p-cresol exposure. Selective attenuation of glucuronidation (without affecting p-cresol sulfate formation, while increasing p-cresol accumulation) using independent chemical inhibitors (i.e., 0.75 mM l-borneol, 75 µM amentoflavone, or 100 µM diclofenac) consistently resulted in further increases in LDH release associated with p-cresol exposure (by 28.3 ± 5.3%, 30.0 ± 8.2% or 27.3 ± 6.8%, respectively, compared to p-cresol treatment). These novel data indicated that p-cresol was a relatively potent toxicant, and that glucuronidation was unlikely to be associated with the manifestation of its toxic effects in HepaRG cells.

Quench Process and Steel Chemistry Optimization to Prevent Quench Cracking during Hardening of Splined Semi – Axles

In the paper the hardening process of splined semi-axles is discussed and physics of preventing the quench crack formation during intensive quenching (IQ) is explained. It is shown that during IQ process at the splined cylindrical surface very high compressive current band residual stresses are formed which prevent the possibility of quench crack formation on splines. It is enough to optimize the stress distribution through the section of semi-axle and perform IQ process in order to prevent quench cracks formation in splines. It is achieved via optimizing depth of surface hardened layer. In this case the depth of surface hardened layer for cylinders and for cylinders with splines are the same. There is no need to create a special thin shell on splines or perform carburization to create such shell. Due to larger martensite specific volume, it results in surface compressive residual stress formation. Absence of martensite phase at the core eliminates core swelling that could be a reason in tensile surface stresses. The idea is supported by FEM calculations and testing of real semi-axles in industrial condition. The new idea simplifies cardinally technological process and makes it less costly.