金属 3D プリント研究: 離散要素法を使用して粉末拡散を研究する

出典: 広西付加製造協会

最近発表された「積層製造における粉末拡散の DEM 研究」では、著者の Yahia M. Fouda 氏と Andrew E. Bayly 氏が離散要素法シミュレーションを実行し、チタン合金 (Ti6AlV4) 粒子を使用した積層製造アプリケーションを調査しました。

電子ビーム溶融 (EBM) や選択的レーザー溶融 (SLM) などの粉末床溶融 AM 技術について説明すると、これらの技術では、密閉されたチャンバー内で基板上に粉末の薄い層を堆積し、複雑な形状や高性能部品を実現する可能性を提供します。これは、医療、歯科、航空宇宙の用途でよく使用されます。 Fouda 氏と Bayly 氏は、AM プロセスの実際の物理現象をさらに詳しく調べ、離散要素法 (DEM) を使用して粉末の流動力学と分散を研究しました。

DEM を使用すると、研究者は使用されるすべての粒子を追跡し、粒子が互いにどのように相互作用するか、粒子の形状とどのように関係するかを計算し、「すべての粒子間および粒子と壁の接触イベントを解決」できます。これらの種類のシミュレーションでは、次のことを示すデータが作成されます。

空間位置
線速度と角速度
加えられる力とトルク

これらはすべて「時間の関数」として使用され、重要な定量的な結果をもたらします。研究者らは、市販の DEM ソフトウェア EDEM® を使用してシミュレーションを実行し、「Hertz-Mindlin (no-slip)」モデルを使用して粒子間の相互作用を信頼性高く計算しました。

材料特性と DEM 入力パラメータこのシステムはスプレッダーブレード、パイル、および水平構築面で構成されていますが、著者らは、配布システムの主な詳細の 1 つはスプレッダーブレードと構築面の間の垂直ギャップであると指摘しています。

このギャップは、堆積された粉末層の厚さを制御し、3D プリントされたコンポーネントの解像度に対応します。この論文で実行されたシミュレーション全体を通じて、このギャップは 100 ～ 300 μm の間で変化しました。これは、一般的な電子ビーム溶融（EBM）機の層厚範囲のほとんど、50～200μmをカバーし、コーティングされるブレードと溶融表面の間のギャップ（それ自体は堆積層の充填率によって決まる）の標準的なものになると予想される」と著者らは述べている。

著者らは、3D プリンターまたは産業用 AM ハードウェアの「縦断的スライス」を示すことを目指しているため、このメカニズムをシミュレーションすることを選択しました。

「シミュレーションでは、水平方向の y 方向に周期境界を使用したため、y 方向への影響は無視できました。シミュレーション範囲は、水平方向の x 方向に 12 mm の長さを考慮し、層堆積解析の有効長さ 10 mm を監視することでさらに縮小されました。」

彼らは、粉末の拡散の本質的な挙動と、隙間の厚さと拡散速度を変えたときに何が起こるかを研究しました。

分散プロセス中のさまざまな時間における粉末の動きのスナップショット: 0.0 秒、a 0.01 秒、c 0.02 秒、d 0.03 秒。 0.09秒。 f 0.122秒。 vw = 100 mm/s、δ = 4d

ディフューザー前部の各サブレイヤーにおける粒子のx速度は時間とともに変化し、vw = 100 mm/s、δ = 4d
その後、著者らはプロセスパラメータ（粉末、機械、プロセスの特性を含む）、ギャップの厚さ、拡散速度の影響についても調査を始めました。

拡散速度が最終充填率 δ = 4d に与える影響全体として、3 つのメカニズムにより、初期の山に比べて充填摩擦が大幅に低下します。

第一のメカニズム – 初期のせん断誘起膨張第二のメカニズム – 粉末の膨張と隙間領域での再配置第三のメカニズム – 質量の保存と粉末層内の粒子の移動の停止

研究によると、隙間の厚さや広がりの速度を変えることで、これらのメカニズムの 1 つ以上を抑制または促進し、最終的な充填率を制御できることがわかっています。「最終層の充填率は、ギャップの厚さが増すと増加し、拡散速度が減少すると減少します」と研究者らは結論付けました。「ギャップで生成される速度分布は最終層の充填率に直接影響し、この領域の平均速度が最終層の充填率を決定します。」 ”

「この理想的な研究で提示された分析は、AM における粉末分散のプロセスを厳密に研究し、最適化するためのフレームワークを作成するのに役立ちます。これは、粒子サイズ分布、形態、凝集性などの粒子特性の役割と、それらのプロセスパラメータとの相互作用を理解するために使用できます。」

金属粉末は、今日多くの研究の対象となっています。特に、改良された合金、貴金属、組み込み電子機器などの研究のおかげで、世界中のメーカーが金属粉末の力を利用して非常に強力で高性能な部品に変えようと努力していることがその理由です。