ケーススタディ: 金属積層造形プロセスのシミュレーション分析 (パート 2) - マイクロスケール

著者: Guo Pengwei は Anshi Sino-Germany の添加剤アプリケーションエンジニアであり、現在は金属添加剤プロセスシミュレーション、添加剤設計などの業務に従事しています。

金属付加製造プロセスシミュレーションおよび解析ツールの機能がさらに強化されるにつれて、金属付加製造シミュレーションおよび解析の価値が徐々に明らかになるでしょう。金属付加製造プロセスのマルチスケールシミュレーション解析を実行することは、金属付加製造のコストを削減し、製造品質を向上させ、研究開発サイクルを短縮するために非常に重要です。

マイクロスケールの積層造形プロセスのシミュレーションと分析 マイクロスケール積層造形プロセスのシミュレーション分析は、主に溶融池特性、微細構造特性、詳細な温度変化履歴特性に焦点を当てています。さまざまなプロセスパラメータの組み合わせで溶融池サイズ、未融合による多孔性、微細構造の粒径と配向を迅速に計算することにより、プロセスパラメータを最適化し、最終的に成形材料の機械的特性の調整を実現します。

- 溶融プールのサイズ特性に応じて、さまざまなレーザー出力とスキャン速度の組み合わせを最適化します。 金属積層造形の成形品質は、主に微視的な溶融池サイズ特性によって決まり、レーザー出力と走査速度は溶融池サイズ特性を制御するための基本的なパラメータです。レーザー出力と走査速度をより適切に組み合わせることで、キーホール、未融合、球状化などの欠陥の発生を回避できます。 ANSYS Additive Science は、レーザー出力とスキャン速度のさまざまな組み合わせで溶融プールのサイズを計算し、最適な組み合わせをすばやく見つけ、プロセスパラメータを最適化できます。

国際的に有名なブランドのレーザー粉末床溶融設備の TC4 大層厚さ 60μm のプロセスパラメータ最適化を例にとると、レーザー出力 300W ～ 450W、スキャン速度 700mm/s ～ 1600mm/s で溶融池サイズを計算します。溶融池の再溶融深さが 90μm に達し、深さ対幅比が 0.95 未満、長さ対幅比が 4.2 未満という最適化基準に基づいて、最適なレーザー出力とスキャン速度の組み合わせが選択されます。図 7 ～ 9 は計算結果です。最終的な最適なマッチング結果は、350W と 1300mm/s の組み合わせです。

図7 異なるレーザー出力とスキャン速度における溶融池の再溶融深さ図8 異なるレーザー出力とスキャン速度における溶融池の深さと幅の比図9 異なるレーザー出力とスキャン速度における溶融池の長さと幅の比
- 異なるスキャン距離で未溶融粉末によって生じる多孔性を分析する レーザー出力とスキャン速度の最適な組み合わせを決定した後、スキャン間隔が異なると、オーバーラップ率が異なります。スキャン間隔が大きいと、未溶融材料などの内部冶金欠陥が発生する可能性があります。一方、スキャン間隔が小さいと、オーバーラップ率が過度に大きくなり、成形効率と表面品質に影響する可能性があります。 ANSYS Additive Science ツールは、さまざまなスキャン距離で未融合材料によって生じる多孔性を計算し、レーザー出力、スキャン速度、スキャン距離の包括的なパラメータ最適化を実現するために使用されます。

2.1で得られたレーザー出力とスキャン速度の最適な組み合わせに基づいて、0.07mm〜0.17mmの異なるスキャン間隔での材料の未溶融多孔度がさらに計算され（図10に示すように）、0.005未満の粉末率が最適化基準として使用されます。最終的な最適化の結果は、スキャン間隔が 0.15mm に達すると、粉末率が 0.0047 に達することです。したがって、最適化の結果は、スキャン間隔が 0.15mm より大きくなることはできないというものです。

図10 異なるスキャン間隔における粉末の未溶融多孔度

- さまざまなプロセスパラメータの下での結晶粒度と配向特性を分析する 材料の微細構造特性（粒径、形状、成長方向など）によって、材料のマクロ的な機械的特性が決まります。金属積層造形のプロセスでは、微細構造は処理パラメータに非常に敏感であり、処理パラメータと微細構造特性との間の定量的な関係を研究することが非常に重要です。 ANSYS Additive Science ツールは、さまざまなプロセスパラメータに基づいて粒径と成長方向を計算できます。図11は、異なる冷却速度と走査回転角度での結晶粒径と配向の計算結果を示しています。材料は高温合金GH4169です。

図11 異なる冷却速度とスキャン回転角度での粒径と配向の計算結果溶融池の冷却速度は、微細な粒子構造に影響を与えます。計算結果から、冷却速度（主にレーザー出力とスキャン速度によって決定）の増加に伴い、粒径が微細化し、平均粒径が約45μmから15μmに微細化し、粒子分布がより均一になることがわかります。層間回転角は結晶粒の配向に大きな影響を与えるだけでなく、結晶粒度分布にも大きな影響を与えます。結晶粒度分布は、回転角度が 67° の場合、79° や 180° の場合よりも均一になります。また、計算結果から、放熱条件の違いにより、水平方向の粒子の粒成長方向が異なり、水平方向と垂直方向の粒子構造が明らかに異なることがわかります。

粒径の定量的な計算結果に基づいて、材料のマクロ的な機械的特性を予測できます。ほとんどの材料では、結晶粒径から材料の降伏強度を予測できます。Hall-Petch 式 σ0.2=σ0+Ky/d1/2 (d は結晶粒径、σ0 と Ky は材料定数) を使用すると、材料の降伏強度を定量的に計算できます。プロセスパラメータと結晶構造の間の定量的な関係を確立することは、形成された材料の構造と機械的特性を正確に制御するために非常に重要です。

- 部品形状の温度履歴予測 金属積層造形プロセスの品質監視は不可欠であり、積層造形装置はよりインテリジェント化します。温度センサー（溶融池温度のリアルタイム監視）、感光センサー（溶融池の明るさと面積のリアルタイム監視）、インテリジェント粉末拡散、成形材料の欠陥のリアルタイム監視などのリアルタイム監視技術がアプリケーションのホットスポットになっています。

温度センサーを使用すると、溶融池表面の温度変化や分布特性をリアルタイムで取得できますが、溶融池内部の温度変化履歴を正確に記述することは困難です。シミュレーション手法を使用することで、部品の幾何学的スケール内の任意の領域の詳細な温度変化履歴を仮想的に予測できます (図 12 を参照)。これにより、部品の成形精度、内部欠陥、微細構造、機械的特性などの品質追跡、分析、評価のための温度履歴データが提供されます。

図12 温度履歴モニタリング結果 - 著者 -
Pengwei Guo 氏は Anshi Sino-Germany の付加製造アプリケーションエンジニアです。現在は金属付加製造プロセスのシミュレーション、付加製造設計などの業務に従事しています。

ケーススタディ: 金属積層造形プロセスのシミュレーション分析 (パート 2) - マイクロスケール

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