金属SLM選択的金属溶解プロセスのシミュレーションにおけるサポートの分析と研究（パート1）

著者: He Jin 出典: Anshi Asia Pacific

実際、生産量やコストに影響を与えるだけでなく、サポート構造を好む人はいないようです。これらの追加のサポート構造により、ビルド時間とビルドコストが増加し、後処理時間と後処理の複雑さも増加します。これにより、サポートを削減および最適化するための 3 つのレベルの取り組みが実現します。1 つのレベルは、機器とプロセス技術によってサポートを減らすことです。もう 1 つのレベルは、コンポーネントの構築角度を調整し、最適化されたサポート構造を使用して変形を回避し、後でサポート構造を簡単に取り外せるようにすることで、構築の自由度を最大限に高めることです。もう 1 つのレベルは、シミュレーションを通じてサポートの設計を最適化することです。

今回の添加剤材料コラム「金属SLM選択的金属溶解プロセスのシミュレーションにおけるサポートの分析と研究」は2部に分かれています。今回は第1部です。 Ansemeria Asia Pacificのシミュレーション専門家が、CAEシミュレーションの観点から、SLM選択的金属溶解プロセスのシミュレーションプロセスにおけるサポートの役割と、SLMシミュレーションプロセスでのサポートの取り扱い方を分析します。

この記事では、シミュレーション解析を使用して部品のサポートを最適化し、（パート 1）サポートタイプの区別、サポート構造の有限要素メッシュ分割、およびサポート強度の等価処理、（パート 2）異なるサポートフォームが SLM 選択領域金属溶解プロセスシミュレーションに与える影響、および異なるサポート等価強度が SLM 選択領域金属溶解プロセスシミュレーションに与える影響を通じて、サポート設計の最適化における CAE シミュレーションの役割を明らかにします。

選択的レーザー溶融（SLM）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装置 (SLA) などの非金属付加プロセスと同様に、SLM 選択的金属溶融では、部品の形成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、異なる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。本稿では、CAEシミュレーションの観点から、SLM選択金属溶融プロセスのシミュレーションにおけるサポートの役割と、SLMシミュレーションプロセスにおけるサポートの取り扱いについて分析します。

サポートの機能と種類
-金属SLM選択的金属溶融成形におけるサポートの役割

金属SLM選択的金属溶解および成形のプロセスにおいて、オーバーハング構造を持つ部品の場合、一般的に言えば、ほとんどの金属SLM選択的金属溶解装置が現在サポートしている加工技術では、オーバーハング構造と水平方向の間の角度が45°未満の場合のサポート構造設計を考慮する必要があります。もちろん、一部の装置では、角度が10°未満の場合にのみサポート構造設計を実現できます。サポート構造は、部品とビルドプラットフォームの安定性を強化およびサポートし、部品構築プロセス中に余分な熱を取り除き、部品の反りを防ぎ、部品構築プロセス中の故障の可能性を減らすことができます。

サポートの役割については、次のように詳しく説明します。

1) 次の層の形成をサポートし、崩壊を防ぐ SLM 選択的金属溶解プロセスでは、金属粉末が次の層の形成をサポートできますが、ワークピースの張り出し部分で粉末が溶解して形成された溶融プールは、自身の重力と毛細管現象によって崩壊します。粉末の下層をサポートしないと、スクレーパーが形成された部分を直接削り取ります。また、SLM 選択的金属溶解中は、後続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もあります。

2) 熱変形を防ぐ熱伝導 金属は融点が高いため、SLM 選択的金属溶融プロセスでは、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 選択的金属溶融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、サポートの導入により、部品の表面品質が影響を受ける場合があります。

- 金属SLM選択的金属溶融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 選択的金属溶融では主に薄壁表面サポートと一定の厚さの固体サポートが使用されます。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。

SLMシミュレーション中の処理をサポート 現在、金属SLM選択領域における金属溶融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歪みを解析します。使用されるアルゴリズムは、固有歪み有限要素解析法と熱構造結合熱弾性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。

- サポートタイプの差別化

パーツの実際のサポート設定に応じて、有限要素解析を実行するときに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

-支持構造の有限要素メッシュ作成 現在、SLM 選択領域金属溶融のマクロプロセスシミュレーションには、固有ひずみ有限要素解析法、または熱構造連成熱弾性塑性有限要素解析法のいずれが使用されていても、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選択領域金属溶解プロセスシミュレーションのための直交メッシュ
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な詳細特徴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。

- サポート強度同等処理 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 選択的金属溶融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参照:
【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、金属積層造形用の装置開発、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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