金属SLMプロセスシミュレーションにおけるサポートの分析と研究

著者: 何進、安世雅泰

近年、積層造形技術が徐々に発展し成熟するにつれ、その応用分野は継続的に深化、拡大してきました。非金属積層造形と比較すると、金属積層造形は産業分野でより大きな発展の可能性を示しています。しかし、金属積層造形の開発には依然として多くの課題が残っています。 SLM（選択的レーザー溶融）プロセスを例にとると、部品の成形プロセス中に反りや変形がよく発生します。変形の原因は、部品自体の構造特性、機械粉末の安定性、成形プロセスパラメータに関係するだけでなく、成形プロセス中のサポート設計にも影響されます。ステレオリソグラフィー (SLA) などの非金属付加プロセスと同様に、SLM では部品の成形を確実にするために、成形プロセス中にサポートを追加する必要があることがよくあります。しかし、金属材料は熱的特性や機械的特性（高密度、高融点、大きな弾性率など）の点で非金属材料とは大きく異なるため、成形工程中にワークピースが変形する可能性が高くなります。したがって、成形プロセス中は、重力の作用下でのサポートの固定と位置決め機能を考慮するだけでなく、熱伝達と変形防止性能に対してもより高い要件を課す必要があります。国内外の学者は、実験的手段を通じて、さまざまなサポート設計条件下での部品の変形について多くの研究を行ってきました。この記事では、CAEシミュレーションの観点から、SLMプロセスシミュレーションにおけるサポートの役割を分析します。

1. 金属SLM成形サポートの機能と種類
1.1 金属SLM成形におけるサポートの役割 金属SLM成形プロセスにおいて、張り出し構造を持つ部品の場合、張り出し構造と水平方向の間の角度が45°未満の場合、サポート構造の設計を考慮する必要があります。サポート構造の役割は次のようにまとめることができます。

1) 次の層の形成をサポートし、崩壊を防ぐ SLM 成形プロセスでは、金属粉末が次の層の形成を支えることができますが、ワークピースの張り出し部分で粉末が溶融して形成された溶融池は、自身の重力と毛細管現象によって崩壊します。粉末の下層に支えがなければ、スクレーパーは成形された部分を直接削り取ります。さらに、SLM 成形では、その後のワイヤー切断操作を容易にするために、部品と基板の間にサポート構造を追加する必要があります。

2) 熱変形を防ぐ熱伝導 金属は融点が高いため、SLM 成形プロセスでは、粉末はレーザーの作用により溶融と凝固の熱サイクルを受けますが、全体の熱サイクル時間は非常に短く、この急激な加熱と冷却により大量の熱が蓄積されます。熱が時間内に伝導されない場合、熱応力の集中が発生し、部品の変形を引き起こします。張り出した部分に支持構造がない場合、蓄積された熱は周囲の粉末を介してのみ伝導されます。粉末の熱伝導率は固体のわずか数十分の1です。これらの粉末は、ほとんど断熱材として機能します。そのため、これらの部分に熱応力が集中し、部品が変形する可能性が非常に高くなります。適切なサポート設計により、蓄積された熱を効果的に伝導し、熱変形を回避できます。

3) スクレーパーの衝突を防ぐ 熱応力集中によって生じる変形には、通常、一定の方向はありません。構造によっては、熱による変形が水平方向に膨張または収縮したり、垂直方向に反りが生じたりすることがあります。熱による変形が垂直方向のスクレーパーの安全距離を超えると、スクレーパーが衝突する原因になります。スクレーパーの衝突が発生すると、その後の粉末の拡散動作に大きな影響が出ます。粉末の拡散が不均一になったり、うまくいかなかったりすると、その後の印刷プロセスが進行できなくなります。この場合、サポートの熱伝導効果を考慮するだけでなく、サポートの設計時に設計されたサポートの剛性も評価する必要があります。つまり、サポートの剛性は、熱応力によって引き起こされる反り変形に耐えるのに十分である必要があります。

上記の機能に加えて、SLM 成形プロセスにサポートを導入すると、「副作用」も発生します。たとえば、サポート構造を追加すると、印刷コスト (原材料と時間) と後処理コスト (人件費と機械加工) が増加します。さらに、サポートの導入は部品の表面品質にも影響します。

1.2 金属SLM成形における主なサポートの種類 具体的なサポートの種類としては、SLM では主に薄壁の表面サポートと一定の厚さの固体サポートを使用します。表面サポートは、データ形式の厚さのない STL ファイルのセットです。印刷時に、レーザーはパスに沿ってシングルパス露光を実行し、形成されるサポートの厚さはシングルパス溶融プールの幅です。表面サポートは、サポートと熱伝導を提供するために、変形が小さい領域でよく使用されます。下の図 1 に示すように、パッチサポートは ANSYS SpaceClaim ソフトウェアを使用して設計されます。パッチサポートを設計する際には、部品の特定の機能と組み合わせて、部品と接触する歯のさまざまなパラメータを設計できます。また、その後の粉末の除去を考慮して、パッチサポートに粉末出口が確保されることがよくあります。場合によっては、部品へのサポート負荷を回避するために、パッチサポートに特定の角度オフセットも設定されます。
図 1: ANSYS SpaceClaim を使用して設計されたサーフェスサポート。サーフェスサポートとは異なり、ソリッドサポートは一定の厚さを持つ構造を指します。たとえば、Magics を使用して設計されたツリーブランチサポート、円錐形サポート、円筒形サポートはすべてソリッドサポートです。このタイプのソリッドサポートには通常、印刷中に対応するプロセスパラメータ (レーザー出力、スキャン速度、スキャン戦略など) があり、スライス中に表面サポートやソリッドパーツと区別するために、スライス後のファイルの命名方法に反映されます。たとえば、スライスされたパーツは part.cli、サーフェスサポートは s_part.cli、ソリッドサポートは part_s.cli という名前になることが多いです (機器メーカーによって名前が異なる場合があります)。また、変形リスクが大きい構造の場合、金属 3D プリントのプロセス設計者は、CAD ソフトウェア (UG、SolidWorks など) を使用して、部品の補助的なソリッドサポート設計を実行することがよくあります。Magics によって生成されたソリッドサポートと比較すると、このソリッドサポートと Magics によって生成されたソリッドサポートの主な違いは、印刷時に使用されるプロセスパラメータが部品のプロセスパラメータと同じであることです。部品の一部と見なすことができますが、印刷後に機械加工によって除去する必要があります。固体サポートは表面サポートよりも熱伝導性が高く、剛性も高くなりますが、印刷後に除去するのが難しくなります。

2 金属SLMプロセスシミュレーション中のサポート処理 現在、金属SLMのプロセスシミュレーションは、主に成形プロセスにおけるマクロ的な応力とひずみを解析します。使用されるアルゴリズムは、固有ひずみ有限要素解析法と熱構造結合熱弾塑性有限要素解析法です。有限要素計算中に部品とサポートを区別するには、サポートの同等の処理が必要です。ここでは、ANSYS Additive Print (固有ひずみ有限要素解析に基づく) と ANSYS Workbench Additive (熱構造結合熱弾塑性有限要素解析に基づく) を例に、プロセスシミュレーション中にサポートを処理する方法を説明します。
2.1 サポートタイプの区別有限要素解析を実行する際には、部品の実際のサポート設定に基づいて、計算にインポートされるサポートを区別する必要があります。現在、ANSYS Additive Print と ANSYS Workbench Additive は、インポート時に面サポートとソリッドサポートを区別します。下の図 2 に示すように、ANSYS Additive Print を使用して片持ち梁モデルを解析する場合、サポートタイプを選択できます。ボリュームレス STL は面サポートに対応し、標準 STL はソリッドサポートに対応します。さらに、有限要素解析ソフトウェアは、部品の幾何学的特徴に基づいてサポートが必要な表面を識別し、サポートを自動的に生成することもできます。図 3 は、ANSYS Workbench Additive を使用して自動的に生成されたサポートを示しています。

図 2 ANSYS Additive Print におけるサポートの差別化図 3 ANSYS Workbench Additive によって自動的に生成されたサポート2.2サポート構造の有限要素メッシュ作成 現在、SLM のマクロプロセスシミュレーションに固有ひずみ有限要素解析法を使用する場合でも、熱構造連成熱弾塑性有限要素解析法を使用する場合でも、下の図 4 に示すように、モデルのメッシュ化にはボクセル法 (Cartesian Mesh) が使用されます。
図 4 SLM プロセスシミュレーション中の直交メッシュ図 4 に示すように、ボクセル法を使用してモデルをメッシュ化すると、メッシュの品質が低下し、特にモデルのローカル詳細フィーチャーが適切に特徴付けられません。パッチ型サポートについては、厚みのないSTL型データであるため、パーツのボクセルサイズで直接分割すると計算誤差が大きくなってしまいます。したがって、ANSYS Additive Print と ANSYS Workbench Additive は、サポート上で有限要素メッシュを実行するときにサブボクセル法を使用します。
図 5 サポートのサブボクセル分割モデルいわゆるサブボクセル法では、まずサポートがボクセル法に従ってグリッドに分割されます。グリッドが生成された後、サンプルレート係数を調整することで、ボクセルユニットが 2 回分割されます。たとえば、サンプルレートを 2 に設定すると、ボクセルユニットは 8 個 (2╳2╳2) のサブボクセルに分割されます。サンプルレートを 5 に設定すると、ボクセルユニットは 125 個 (5╳5╳5 サブボクセル) に分割されます。次に、サポートが占めるサブボクセルの数とサブボクセルの総数の比率を計算し、占有されるサブボクセル密度を使用して、上の図 5 に示すようにサポートのグリッド密度を特徴付けます。

2.3 等価支持強度処理 実際の印刷プロセスでは、サポートと部品に使用される材料は同じですが、印刷プロセスのパラメータが異なるため、生成される機械的特性も異なります。固有ひずみを使用して SLM プロセスをシミュレートする場合、材料の降伏強度と弾性率は、固有ひずみの大きさに直接影響します。シミュレーション中に部品とサポートを区別するには、サポートの強度を同等に扱う必要があります。例えば、ANSYS Additive Print では、サポート降伏強度比を導入して、サポートの降伏強度と弾性係数を弱めています。剛性等価性に関しては、実際の印刷プロセスでのサポートの厚さに応じて (主にパッチ型サポートの場合)、プロセスシミュレーション中にサポートにも実際の印刷と同じ厚さを与え、下の図 6 に示すように剛性等価性処理を完了します。ANSYS Workbench Additive では、実際に印刷したパッチサポートの特性に基づいて、有限要素計算中にサポートを設計できます。
図6. ANSYS Workbench Additiveのパッチサポートの設定
3 サポート設計が SLM プロセスシミュレーション結果に与える影響 CAE シミュレーションが SLM プロセスシミュレーションに適用される前は、プロセス設計者は、成形プロセスにおけるさまざまな成形リスクを解決するために実験を何度も繰り返し実行し、数回の反復を経て製品の印刷を完了することしかできませんでした。現在、固有ひずみ法に基づくSLMマクロプロセスシミュレーションでも、熱構造連成熱弾塑性法でも、SLM成形プロセスにおける各層の応力とひずみ、スクレーパー衝突領域、高ひずみ領域、印刷条件を分析・予測することができます。プロセス設計者は、シミュレーション結果に基づいて SLM プロセス設計スキーム (配置方向、サポート設計など) を改善できるため、印刷失敗のリスクが軽減され、SLM の印刷効率が向上します。次に、ANSYS Additive Print を使用して、図 2 のカンチレバービームモデルを計算し、さまざまなサポート設計形式とさまざまなサポート等価強度 (サポート降伏強度比) が部品の SLM プロセスシミュレーション結果に与える影響を分析します。

3.1 異なるサポート形式がSLMプロセスシミュレーションに与える影響 計算には、ANSYS Additive Print の Assumed Strain モードを使用しました。材料は AlSi10Mg、動作は J2 プラスチック、ボクセルは 0.5、ボクセルサンプルレートは 5、サポート降伏強度は 0.5 でした。支持構造の設計タイプを下表1に示し、計算結果を下図7に示します。
表1 さまざまなサポート設計タイプ

解1の計算結果

スキーム2の計算結果

スキーム3の計算結果

図 7 異なるサポート設計タイプでの計算結果。A1、A2、A3 は変形結果、B1、B2、B3 はスクレーパー衝突結果、C1、C2、C3 は応力計算結果を表します。図 7 から、異なるサポート設計が SLM プロセスシミュレーション後の変形、スクレーパー衝突、応力分布に影響を与えることがわかります。ここでは、シミュレーションによってさまざまなサポート設計スキームを分析できることを示すために、単純な片持ち梁を例として取り上げます。実際の印刷モデル設計者は、結果を分析し、シミュレーション結果に基づいてプロセス計画を改善する必要があります。

3.2 異なる支持等価強度がSLMプロセスシミュレーションに与える影響 前述のように、金属SLMプロセスをシミュレーションする場合、サポートの強度を同等に扱う必要があります。ここでは、ANSYS Additive Printを使用して、同じ円錐ソリッドサポートの下で2番目のソリューションを計算します。サポート等価強度係数（サポート降伏強度比）を変更することで、SLMプロセスシミュレーション結果への影響を分析します。計算結果を下の図8に示します。

図 8 (a) サポート降伏強度比 = 0.5 の場合の SLM プロセスシミュレーション結果 (b) サポート降伏強度比 = 0.2 の場合の SLM プロセスシミュレーション結果図 8 (a) (b) は、サポート降伏強度比がそれぞれ 0.5 と 0.2 の場合の片持ち梁モデルとサポートのプロセスシミュレーション結果です。シミュレーション後の変形、スクレーパー衝突、応力分布から判断すると、図 2 の片持ち梁モデルの場合、サポートの等価強度を変更すると、サポート設計モードの影響よりもプロセスシミュレーション結果に大きな影響を与えます。
3.3 シミュレーション解析による部品サポートの最適化 図 9 は、ANSYS Additive Print を使用して実際の印刷プロセスにおける 2 つのモデルのシミュレーション解析を通じてサポートを最適化した結果を示しています。

図 9 (a) (b) ANSYS Additive Print を使用したサポートの最適化図 10 は、図 2 の片持ち梁モデルに対して ANSYS Additive Print を使用して計算された応力分布に基づいて最適化されたサポートです。図 10 (a) は最適化されたソリッドサポートフォーム、図 10 (b) は最適化されたパッチサポートフォームです。ソリッドサポートとパッチサポートの詳細な特徴は、図10(c)のパラメータを調整することによって調整できます。

図10 (a) ANSYS Additive Print によって最適化されたソリッドサポート (b) ANSYS Additive Print によって最適化されたサーフェスサポート (c) ANSYS Additive Print のサポート最適化調整パラメータ
4 SLMサポートプロセスシミュレーションの欠点と展望
SLM のサポート設計は、成形材料、ワークピースの構造、プロセスパラメータ、接触形式、分布量など、多くの要因に関連しています。成熟した有限要素解析ソフトウェアを使用して、成形プロセス中のさまざまなサポート設計による成形失敗のリスクを予測できますが、サポートの現在のプロセスシミュレーションは、実際のエンジニアリングニーズにはまだ十分ではありません。これは主に次の側面に反映されています。

1) 現在、サポートメッシュ作成にはサブボクセル法が使用されています。メッシュ密度の代わりにサブボクセル密度を使用するこの方法では、計算に大きな誤差が生じます。新しいサポートメッシュ作成方法には、まだ改善の余地があります。
2) 現在、SLM のプロセスシミュレーションでは、実際の印刷プロセスにおけるサポートのプロセスパラメータが考慮されていません。サポートを同等に扱うには、強度等価法のみを使用します。この等価性も計算に大きな誤差をもたらします。したがって、プロセスシミュレーションでは、サポート印刷のプロセスパラメータを考慮する必要があります。
3) 現在のプロセスシミュレーションは、支持体の熱伝導率を考慮せずに、主にマクロ的な応力とひずみの条件に焦点を当てています。
4) サポートを追加した後の除去可能性を検討するためのシミュレーション解析ソフトウェアが存在しない。
5) 有限要素シミュレーションによって得られた応力分布に基づくサポート構造は、実際の印刷プロセスに適用する前にさらに最適化する必要があります。
サポート設計は、金属 SLM 成形プロセスにおいて非常に重要なプロセス設計リンクです。サポート設計が適切かどうかは、その後の成形に直接影響します。金属サポートに関しては、まだ多くの作業が必要です。国内外の学者と業界関係者の共同の努力により、実際の印刷プロセスには、より新しく、より安定的で、より経済的なサポート構造が適用されるようになると信じています。これらのサポート構造は、金属 SLM をより深く幅広い応用分野に推進する上で積極的かつ重要な役割を果たします。

参考文献:
【1】張小川、康金武、容一明、呉鵬悦、他「積層造形におけるサポート設計[J]」熱間加工技術、2018、47(12):1-12
【2】ANSYS Additive ユーザーズガイド（印刷版および科学版）、リリース 2019R2、2019

著者: He Jin 氏は、長年にわたり金属積層造形の装置開発、プロセス開発、材料研究に従事してきました。現在は、Anshi Sino-German Consulting Co., Ltd. で積層造形および高度設計アプリケーションエンジニアとして働いています。

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