金属 3D プリントの欠陥を解決するための研究 - マルチスケールおよびマルチフィジックス数値シミュレーション、シンガポール国立大学の Yan Wentao 氏のチーム

Antarctic Bear からの注記: この記事は、シンガポール国立大学の Yan Wentao 氏のチームによって Antarctic Bear ([email protected]) に寄稿されました。彼らは金属3Dプリントの欠陥とその解決方法を研究した

積層造形のマルチスケール・マルチフィジックス数値シミュレーション
△シンガポール国立大学のヤン・ウェンタオチーム

著者: Wang Lu、Chen Hui 付加製造 (AM) は、新興の工業生産技術として、ますます多くの業界の注目を集めています。たとえば、航空宇宙、軍事産業、医療の分野における重要な複雑な部品の加工と製造などです。しかし、これらの高精度で複雑な部品の工業生産を実現するには、積層造形の成形品質と再現性を向上させ、部品の穴、表面仕上げ、望ましくない微細構造、部品の残留応力などの製造欠陥を克服する必要があります。上記の欠陥の制御には、マクロ的な機械的特性の研究だけでなく、ミクロスケールの形態の分析も必要となり、実験観察の難易度とコストが大幅に増加します。

実験研究の困難を克服するために、シンガポール国立大学の Yan Wentao 氏とその協力者は、積層造形プロセス全体をシミュレートするマルチスケールおよびマルチフィジックスのフィールドモデルを構築しました。これにより、物理的メカニズムの理解が深まり、プロセスパラメータの選択と最適化に関する理論的なガイダンスが得られました。

1. 電子ビーム熱源モデルはモンテカルロシミュレーションによって得られる。

電子ビームのエネルギー移動は、電子ビームの電子が物質の原子と衝突し、電子の運動エネルギーを原子の振動エネルギーに変換するプロセスです。従来の電子ビーム熱源モデルは、主に溶融池の形態の観察に基づいて得られますが、モデル誤差が大きく、物理的な意味が不明瞭です。 2015 年、Wentao Yan (筆頭著者) と Wing Kam Liu (責任著者) は、従来の熱源モデルとは異なる新しい熱源モデルを提案する論文を Computational Mechanics に発表しました。電子原子衝突のエネルギー分布は、図 1 に示すように、モンテカルロ法によって得られます。

図1.電子ビームと金属の相互作用メカニズムと新しい熱源モデル

熱源モデルは、カナダのマギル大学のPR Carriere研究チームによって実験的に検証されました。さらに、熱源モデルを使用すると、電子ビームまたはイオンビームによる表面衝撃強化時の「火山クレーター」現象をより深く説明できます。

2. 電子ビーム選択溶融のマルチスケールモデル

2016 年に、Yan Wentao (筆頭著者)、Lin Feng、Wing Kam Liu (対応著者) は、電子ビーム熱源モデルに基づいて、電子ビーム選択溶融のマルチスケールモデルを提案する論文を Acta Materialia に発表しました (図 2)。ミクロスケールでは、モンテカルロ法を使用して電子原子衝突のエネルギー分布特性を分析します。メソスケールでは、金属粉末の加熱、溶融、流動、凝固の物理的メカニズムを分析します。最後に、マクロスケールでは、有限要素法を使用して、部品全体の積層造形プロセスの熱力学シミュレーションを実現します。

図2. マルチスケール電子ビーム選択溶融シミュレーションプロセス

3. 積層造形プロセス全体のシミュレーション

電子ビーム選択溶融には、金属粉末の溶融、流動、凝固などの複雑な物理的プロセスが伴います。物理的スケールが小さいことと、欠陥のメカニズムを正確に物理的に説明するのが難しいことが、積層造形研究の難しさの要因となってきました。 2017 年、Yan Wentao (筆頭著者) と Lin Feng (対応著者) は、電子ビーム選択溶融の 3 つの主なプロセスをシミュレートする研究をエンジニアリング誌で実施しました。
1. 粉末の敷設
2. 粉末の予熱と軽い焼結。
3. 粉末床の選択溶融（図3）。
数値モデルは、実験と比較することで、粉末の堆積プロセス、粉末焼結中の粒子のネッキング、溶融チャネル内の細孔欠陥などの現象を定量的に記述できます。プロセス全体の数値シミュレーションは、実際の製造プロセスを効果的に復元し、溶融パスの品質分析に役立ち、さらに製造プロセスのパラメータ最適化とプロセス設計を導きます。

図3.電子ビーム選択溶融プロセスの実験およびシミュレーションモデル。

シミュレーションプロセスには主に次のものが含まれます。

離散要素法 (DEM) は、粉末拡散後の粉末層の幾何学的形態を解析するために使用されます。
粉末床の形態は熱力学および流体力学解析の幾何学的入力として使用され、フェーズフィールド法 (PF) と有限体積法 (FVM) はそれぞれメソスコピックスケールでの金属粉末の焼結プロセスと溶融プロセスをシミュレートするために使用されます。
このうち、自由表面の形態は体積分率法（VOF）によって処理されます。

いくつかのシミュレーション結果を図 4 に示します。

図4. 単一融解チャネルの実験およびシミュレーション結果。 (a)、(c) 球状化現象、(b)、(d) 不均一な溶融経路

2017 年、Yan Wentao (筆頭著者)、Lin Feng、Gregory J. Wagner (対応著者) は、Acta Materialia および Materials & design に、電子ビーム選択溶融の熱力学的プロセスをシミュレートした研究を発表しました。粉末拡散電子ビーム選択溶融プロセスについては、単一/複数の溶融経路、単層および多層スキャン方式について熱力学シミュレーションを実行し、熱源パラメータ、スキャン方式、粉末拡散状態などの制御パラメータが球状化、表面形態、穴欠陥、マランゴニ現象、材料構造に与える影響を徹底的に検討しました（図5）。さまざまなパラメータのシミュレーション計算と組み合わせて、溶融経路の品質を向上させるソリューションを検討しました。

図5. 多層およびマルチパス電子ビーム選択溶融中の穴の形成

最近、ヤン・ウェンタオは米国のアルゴンヌ国立研究所およびミズーリ大学と共同で、高速X線イメージング技術を使用してレーザー選択溶融中の気泡の動きを直接観察し、Nature Communicationsに学術論文を発表しました。ヤン・ウェンタオが開発した溶融モデルは、レーザー選択溶融プロセスにおけるキーホール現象をよく再現しました。

図6. キーホール現象の高精度シミュレーションとアルゴンヌ国立研究所の高速X線を使用した直接実験結果

4. 成形、構造、性能のデータ駆動型統合シミュレーション

複雑な実験パラメータの選択と最適化、面倒な実験プロセス、製造された部品の性能制御の難しさなどの問題を解決するために、2018年にYan Wentao（筆頭著者）とWing Kim Liu（対応著者）は、Computational Mechanics and Frontiers of Mechanical Engineeringで、データ駆動型のマルチスケール、マルチフィジックス場プロセス構造統合シミュレーションに基づく積層造形フレームワークを提案しました。製造工程のデータとシミュレーションデータをデータベースに統合し、データベース間の連携作業とデータマイニング手法により、シミュレーション計算結果を製造データにフィードバックし、製造パラメータをリアルタイムで調整することで、積層造形のオンライン監視の閉ループ制御を実現します。同年、Yan Wentao氏（筆頭著者）とGregory J. Wagner氏（責任著者）はComputer Methods in Applied Mechanics & Engineering誌に論文を発表し、統合シミュレーションシステムについて詳細に議論しました（図7）。数値シミュレーション部分は、主に相互に結合された 3 つのモジュールで構成されています。
1. AMプロセス中の溶融池の温度場変化、多層および多チャネル溶融チャネルの変化、細孔構造の形成などを取得するための粉末敷設シミュレーション+熱/流体力学数値モデル計算。
2. 1で計算した温度場分布、溶融経路形態、穴分布などの状態データを、デンドライト成長のセルオートマトンモデルの入力パラメータとして抽出し、部品の結晶粒構造を予測する。
3. 2 の結果を材料の物理的パラメータとして使用し、部品の機械的特性、疲労寿命、その他のマクロ的特性を予測します。

図7. 成形・構造・性能の統合シミュレーションフレームワークの概念分布図

成形・構造・性能を統合した数値シミュレーションは、材料の粒径や体積欠陥分布などの情報を予測できるだけでなく、粉末粒子の溶融や溶融池の流れのプロセスを予測できるため、積層造形メカニズムの理解を促進します。さらに、プロセス監視システムと組み合わせた閉ループ制御により、製造プロセスの安定性と製造品質を確保できます。

5. 参考文献
（１）電子ビームと基板の相互作用のマルチスケールモデリング：新しい熱源モデル。
(Wentao Yan、Jacob Smith、Wenjun Ge、Feng Lin、Wing Kam Liu 計算力学、2015、56(2):265-276。DOI 10.1007/s00466-015-1170-1)
（２）機能傾斜材料の電子ビーム溶融のマルチスケールモデリング。（Wentao Yan、Wenjun Ge、Jacob Smith、Stephen Lin、Orion L. Kafka、Feng Lin*、Wing Kam Liu。Acta Materialia、2016、115：403-412。DOI 10.1016/j.actamat.2016.06.022）
（３）電子ビーム選択溶融プロセスのモデリングと実験的検証
(Wentao Yan、Ya Qian、Weixin Ma、Bin Zhou、Yongxing Shen、Feng Lin*。エンジニアリング、2017、3(5):701-707。DOI 10.1016/j.eng.2017.05.021)
（４）電子ビーム選択溶融における単一／多重トラック欠陥メカニズムのマルチフィジックスモデリング
(Wentao Yan、Wenjun Ge、Ya Qian、Stephen Lin、Bin Zhou、Wing Kam Liu、Feng Lin**、Gregory J. Wagner*。Acta Materialia、2017、134:324-333。DOI 10.1016/j.actamat.2017.05.061)
（５）選択的電子ビーム溶融における多層製造プロセスのメソスケールモデリング：層間／トラック間ボイドの形成。
(Wentao Yan、Ya Qian、Wenjun Ge、Stephen Lin、Wing Kam Liu、Feng Lin、Gregory J. Wagner*。Materials & design、2017、141。DOI 10.1016/j.matdes.2017.12.031)
（６）積層造形のためのプロセス・構造・特性の統合モデリングフレームワーク。
(Wentao Yan、Yanping Lian、Cheng Yu、Orion L. Kafka、Zeliang Liu、Wing Kam Liu、Gregory J. Wagner∗。Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering、2018、339。DOI 10.1016/j.cma.2018.05.004)
（７）プロセスを導出するためのデータ駆動型マルチスケールマルチフィジックスモデル。積層造形における付加特性の関係。
(Wentao Yan、Stephen Lin、Orion L. Kafka、Yanping Lian、Cheng Yu、Zeliang Liu、Jinhui Yan、Sarah Wolff、Hao Wu、Ebot Ndip-Agbor、Mojtaba Mozaffar、Kornel Ehmann、Jian Cao、Gregory J. Wagner、Wing Kam Liu。計算力学、2018(8):1-21。DOI 10.1007/s00466-018-1539-z)
（８）積層造形におけるプロセス・構造・特性の関係のモデリング
(ウェンタオ・ヤン、スティーブン・リン、オリオン・L・カフカ、チェン・ユー、ゼリアン・リウ、ヤンピン・リアン、サラ・ウォルフ、ジャン・カオ、グレゴリー・J・ワグナー、ウィン・カム・リウ。機械工学の最前線、2018年、13(4)。DOI 10.1007/s11465-018-0505-y)
（９）金属の３Dプリントにおける気孔除去メカニズム
(S. Mohammad H. Hojjatzadeh 、Niranjan D. Parab、Wentao Yan、Qilin Guo、Lianghua Xiong、Cang Zhao、Minglei Qu、Luis I. Escano、Xianghui Xiao、Kmel Fezzaa、Wes Everhart、Tao Sun、Lianyi Chen、、Nature Communications 10(1) (2019) 3088. DOI 10.1038/s41467-019-10973-9)

ヤン・ウェンタオ：
シンガポール国立大学機械工学科助教授。 2012年に清華大学で工学の学士号を取得し、2017年にノースウェスタン大学と清華大学の共同博士号を取得しました。2018年にノースウェスタン大学機械工学科で博士研究員として研究を終え、シンガポール国立大学機械工学科に加わりました。現在は、金属積層造形（電子ビーム選択溶融、レーザー選択溶融など）における数値シミュレーション、実験検証、データ分析に関する研究に従事。