Numerical Simulation of Solid State Powder Deposition Using Electrostatics.

Cold spray, because of its solid-state coating deposition process has been attempted as an additive manufacturing (CSAM) process. Further, it has been demonstrated to retain the original properties of the feedstock, to produce oxide-free deposits, and to not adversely affect underlying substrate materials during manufacturing when compared to fusion-based high-temperature additive manufacturing processes. As a result, CSAM is getting a lot of attention from the scientific and business communities. However, deposition accuracy, high surface roughness, high operational cost for high velocity requirements, mandatory post-machining, are some of the few limitations that are yet to be addressed. CELTIS is a proposed concept at Politecnico di Milano that uses electric field to accelerate particles above Cold Spray critical velocity value to have cold particle deposition. The purpose of this study is to validate the concept using numerical simulation model. It includes assessing influence of applied electric field on charged particle velocity using cylindrical electrostatic accelerators. Influence of different parameters on final particle velocity like applied voltage V, number of accelerators N and charge-to-mass ratio q/m are analyzed by simulating model for three different parameter conditions and compared with the formulation. During charged particle approach, image charges will be formed on the grounded substrate surface. These image charges will influence particle velocity and the resulting electric field between them. Under high electric field there will be electron emission from substrate surface causing thermal effects on particle (anode) and substrate (cathode). A numerical model considering image charges and its effect on electric field and electron emission is simulated. Before that, mesh independence study is performed to avoid result variation because of mesh density at initial condition in a steady state condition. Maximum mesh element size with different element length sizes were considered until objective parameter value had variation of order of 10-4. Fowler-Nordheim approximation is used to consider effect of electron emission, which will also influence particle charge value, particle acceleration and thermal effects on both particle and substrate. Three different values of charge-to-mass ratio are considered to compare the results. Simulation model also compares FEM acceleration value with the suggested formula in the literature review. For charge-to-mass ratio q/m = 0.5C/kg, peak temperature around 460 K is observed. On comparing velocity graph of particle with & without electron emission consideration and evaluating temperature profile of small charge-to-mass ratio particle, possibility of using negative voltage conditions on substrate has also been explored. The final temperature profile obtained is used as an initial condition in the single particle cold spray simulation model and results are compared with results of model at normal operating temperature. Simultaneously, preparation of experimental setup for validation of electrostatic spray was carried out. Initial testing was performed to consider different aspects that can influence experimental validation process. It considered charging port shape as it was found to affect maximum applicable voltage. Also, particle reservoir outlet size and electric field disturbance on the setup was taken into account while designing the experimental setup.

Lo spray a freddo, a causa del suo processo di deposizione del rivestimento allo stato solido, è stato tentato come processo di produzione additiva (CSAM). Inoltre, è stato dimostrato che mantiene le proprietà originali della materia prima, produce depositi privi di ossido e non influisce negativamente sui materiali del substrato sottostante durante la produzione rispetto ai processi di produzione additiva ad alta temperatura basati sulla fusione. Di conseguenza, CSAM sta ricevendo molta attenzione dalle comunità scientifiche e imprenditoriali. Tuttavia, l'accuratezza della deposizione, l'elevata rugosità superficiale, gli elevati costi operativi per i requisiti di alta velocità, la post-lavorazione obbligatoria, sono alcune delle poche limitazioni che devono ancora essere affrontate. CELTIS è un concetto proposto al Politecnico di Milano che utilizza il campo elettrico per accelerare le particelle al di sopra del valore di velocità critica del Cold Spray per avere la deposizione di particelle fredde. Lo scopo di questo studio è convalidare il concetto utilizzando un modello di simulazione numerica. Include la valutazione dell'influenza del campo elettrico applicato sulla velocità delle particelle cariche utilizzando acceleratori elettrostatici cilindrici. L'influenza di diversi parametri sulla velocità finale delle particelle come la tensione applicata V, il numero di acceleratori N e il rapporto carica-massa q/m viene analizzata simulando il modello per tre diverse condizioni dei parametri e confrontata con la formulazione. Durante l'avvicinamento di particelle cariche, si formeranno cariche immagine sulla superficie del substrato messo a terra. Queste cariche immagine influenzeranno la velocità delle particelle e il campo elettrico risultante tra di loro. Sotto un campo elettrico elevato ci sarà emissione di elettroni dalla superficie del substrato che causa effetti termici sulla particella (anodo) e sul substrato (catodo). Viene simulato un modello numerico che considera le cariche dell'immagine e il suo effetto sul campo elettrico e sull'emissione di elettroni. Prima di ciò, viene eseguito uno studio di indipendenza della mesh per evitare la variazione dei risultati a causa della densità della mesh nella condizione iniziale in una condizione di stato stazionario. La dimensione massima dell'elemento mesh con diverse dimensioni di lunghezza dell'elemento è stata considerata fino a quando il valore del parametro obiettivo ha avuto una variazione dell'ordine di 10-4. L'approssimazione di Fowler-Nordheim viene utilizzata per considerare l'effetto dell'emissione di elettroni, che influenzerà anche il valore di carica delle particelle, l'accelerazione delle particelle e gli effetti termici sia sulla particella che sul substrato. Per confrontare i risultati vengono considerati tre diversi valori del rapporto carica/massa. Il modello di simulazione confronta anche il valore di accelerazione FEM con la formula suggerita nella revisione della letteratura. Per un rapporto carica-massa q/m = 0,5 C/kg, si osserva una temperatura di picco di circa 460 K. Confrontando il grafico della velocità della particella con e senza considerazione dell'emissione di elettroni e valutando il profilo di temperatura della piccola particella con rapporto carica-massa, è stata anche esplorata la possibilità di utilizzare condizioni di tensione negativa sul substrato. Il profilo di temperatura finale ottenuto viene utilizzato come condizione iniziale nel modello di simulazione dello spruzzo a freddo a singola particella e i risultati vengono confrontati con i risultati del modello alla normale temperatura operativa. Contemporaneamente è stata effettuata la preparazione del setup sperimentale per la validazione dello spray elettrostatico. I test iniziali sono stati eseguiti per considerare diversi aspetti che possono influenzare il processo di validazione sperimentale. Ha preso in considerazione la forma della porta di ricarica poiché si è scoperto che influisce sulla tensione massima applicabile. Inoltre, la dimensione dell'uscita del serbatoio di particelle e il disturbo del campo elettrico sulla configurazione sono stati presi in considerazione durante la progettazione della configurazione sperimentale.