選択的レーザー溶融SLM金属3Dプリントにおける溶融池とシングルパスクラッド層のシミュレーション分析

著者: 謝延軍

選択的レーザー溶融法（SLM）の加工では、効率と品質のバランスが重要です。粉末を厚く塗布し、レーザースキャン速度を上げると、加工効率が高くなります。しかし、クラッド層が不均一になったり、2つの層間の隙間が広がったりしやすくなります。

完璧なバランスを見つけるにはどうすればいいでしょうか?シミュレーションを通じて、レーザー選択溶融の準備メカニズムをより直感的に研究し、関連するプロセスパラメータの最適化のためのガイダンスを提供することができます。今号では、シミュレーションの専門家が離散要素解析ソフトウェア Rocky と数値流体力学解析ソフトウェア Ansys Fluent を使用して、レーザー選択溶融粉末積層プロセスとシングルパスクラッド層の形成プロセスをシミュレーションおよび解析し、一定範囲の作業条件内で、レーザー出力、レーザースキャン速度、粉末積層層の厚さの 3 つのパラメータが印刷された溶融池とシングルパスクラッド層に与える影響を研究しました。このシミュレーションプロセスの実現により、レーザー選択溶融の準備メカニズムをより直感的に研究し、関連するプロセスパラメータの最適化のガイダンスを提供できます。

選択的レーザー溶融におけるレーザーと粉末の相互作用、単一の溶融池における溶融金属の流動プロセス、対応するプロセス条件下での溶融池の形態、および最終的なクラッド層の特性を研究することにより、SLM 製造メカニズムを深く理解し、SLM 製造プロセスの設計と最適化のためのガイダンスを提供できます。離散要素解析では、粉末の拡散と広がりのプロセスをシミュレートして粉末床モデルを確立できます。また、選択的レーザー溶融 (SLM) 金属 3D プリント溶融プールとシングルパスクラッディング層の形成プロセスのシミュレーションは、計算流体力学解析によって実現できます。

処理原理と粉体層モデルの確立

選択的レーザー溶融法 (SLM) のサンプル準備プロセスでは、レーザーをエネルギー源として使用して粉末を溶かし、溶融池を形成します。溶融池内の金属は流れます。レーザーが除去されると、溶融池は固化して単一のクラッド層を形成します。溶融池とシングルパスクラッディング層の特性は、最終的に製造される部品の品質に影響します。選択的レーザー溶融溶融池とシングルパスクラッディング層の形成プロセスには、主に基板（または形成領域）、粉末層、保護雰囲気の 3 つの領域が関係しており、粉末特性（球形度、粒度分布、流動性などのパラメータ）は、形成される粉末床に重要な影響を及ぼします。粉末床はその後の選択的レーザー溶融プロセスに重要な影響を与えるため、シミュレーション解析中に粉末床の形成プロセスを解析する必要があります。

実際の作業条件では、粉末の粒子サイズは不均一です。粉末の拡散プロセスが変化すると、粉末粒子の位置と粒子間隔も変化します。この論文では、離散要素法を使用して金属粉末の粉末拡散プロセスをシミュレートおよび分析します。シミュレーションはRockyで実行されます。粉末床を含むシングルチャネル溶融池計算領域モデルの構築プロセスを図1に示します。

図1: シングルパスメルトプール計算ドメインモデルの構築プロセス、出典: Ansemeria Asia Pacific
メッシュ処理と初期化

本論文の単チャネル溶融池計算領域モデルは多面体メッシュで分割されており、最終的なメッシュ分割を図2に示します。

図 2: 計算領域内の特定の XZ セクションのメッシュ、出典: Ansemeria Asia Pacific <br /> 初期設定では、基板（または成形領域）と粉末領域を金属相（本論文では316L合金）、残りの領域を保護ガスとして設定します。計算領域における各相の存在状態を図3に示します（図はある層厚の状態を示しており、本論文では異なる層厚を解析します）。

図3: 計算領域における各相の初期存在状態、出典: Ansem Asia Pacific (赤は金属基板と粉末領域、青は保護ガス領域)

レーザー出力の影響の分析

本論文では、他の準備パラメータが同じという条件下で、異なるレーザー出力での溶融池とシングルパスクラッド層の形態を比較します。特定の作業条件下での比較結果を図 4 に示します。

図 4: 溶融池とシングルパスクラッド層に対するレーザー出力の影響、出典: Ansemeria Asia Pacific <br /> 図 4 で分析された作業条件についてのみ、次のことがわかります。

（１）レーザー出力が増加すると、印刷される溶融プールは広くなり、長くなります。

（２）レーザー出力が増加すると、溶融池の溶融深さも増加し、溶融深さの増加により、前の印刷層（または基板）の再溶融面積が増加し、最終的に２つの層間の気孔が減少します。

レーザースキャン速度の影響の分析

本論文では、他の準備パラメータが同じという条件下で、異なるレーザースキャン速度での溶融池とシングルパスクラッド層の形態を比較します。特定の作業条件下での比較結果を図5に示します。

図 5: レーザースキャン速度が溶融池とシングルパスクラッド層に与える影響、出典: Ansemeria Asia Pacific <br /> 図 5 で分析された作業条件についてのみ、次のことがわかります。

（１）レーザー走査速度が増加すると、印刷された溶融プールは狭く長くなります。

（２）対応する作業条件下では、レーザー走査速度が増加するにつれて、溶融池は連続から不連続に徐々に変化し、明らかな球状化が発生する。球状化の出現により、クラッド層の表面が不均一になる。

（３）レーザー走査速度が増加すると、溶融池の溶融深さは減少する。溶融深さの減少により、前の印刷層（または基板）の再溶融領域が薄くなり、最終的に2つの層間の多孔性が増加します。

粉末層の厚さの影響の分析

本論文では、他の準備パラメータが同じという条件下で、異なる粉末層厚さでの溶融池とシングルパスクラッド層の形態を比較します。特定の作業条件下での比較結果を図 6 に示します。

図 6: 粉末層の厚さが溶融池とシングルパスクラッド層に与える影響、出典: Ansemeria Asia Pacific <br /> 図 6 で分析された作業条件についてのみ、次のことがわかります。

（１）粉末層の厚さが増加すると、印刷された溶融プールはわずかに狭くなり、長くなります。

（２）対応する作業条件下では、粉末層の厚さが増加するにつれて、溶融池は連続から不連続に徐々に変化し、明らかな球状化が発生します。球状化の出現により、クラッド層の表面が不均一になります。

（３）粉末層の厚さが増加すると、前の印刷層（または基板）の再溶融領域が薄くなり、最終的に２つの層間の多孔性が増加する。

結論は

つまり、物理実験と組み合わせることで、シミュレーション計算を使用して、レーザー選択溶融におけるレーザーと粉末の相互作用、単一の溶融池における溶融金属の流動プロセス、対応するプロセス条件下での溶融池の形態、および最終的なクラッド層の特性を研究できます。これにより、SLM準備メカニズムを深く理解し、SLMプリンター準備プロセスの設計と最適化のガイダンスを提供し、対応する研究開発とプロセス最適化プロセスを短縮できます。

謝延軍:

材料物理学と化学の博士号を持ち、材料と付加製造の分野で長年の研究開発経験があり、数多くの金属付加製造研究プロジェクトと関連技術開発業務に参加・実施してきました。現在は主に付加製造装置とプロセスに関するシミュレーションとコンサルティング業務に従事しています。

Ansemeria Asia Pacificの金属3Dプリントシミュレーションソフトウェアに興味があり、詳細を知りたい場合は、連絡先情報を記入してください：https://www.wenjuan.com/s/JfUJjeq/

選択的レーザー溶融SLM金属3Dプリントにおける溶融池とシングルパスクラッド層のシミュレーション分析

【分析】航空宇宙産業におけるラピッドプロトタイピング技術の応用と開発

ファルスーン、世界最大の積層造形デザインコンペティションに参加し、積層造形イノベーションを推進

日本は3Dプリント技術を使って医療訓練用の超リアルなバイオニックロボットを開発している

独占インタビュー：3Dプリントの老舗企業サンデ・トライブは年間50%の成長を遂げている

3DバイオプリントされたHif1a過剰発現BMSCハイドロゲルを使用した骨折治癒の促進

教師の日の特典：Xunshi Technologyが10月19日に成都高等教育展示会でギフトを贈呈

3Dプリントがアルミニウム部品の迅速な鋳造を促進

東莞慧志の陳慧氏との独占インタビュー：セラミック3Dプリントは産業用途で大きな力を発揮する

3D プリント技術を使用して、高さ 1.8 メートルのハンドボールスターを「クローン」し、スポーツファンと交流する

医療アプリケーションの開発を促進するため、ストラタシスはアメリカの病院と提携して3Dプリントセンターを建設する。

推薦する

上場企業10億ドルのFengfan株が3Dプリント会社Kangshuoを買収するため取引停止

B-jetting が金属バインダージェッティング 3D プリンターを発売教育者と研究者

SIMSCAN 3Dスキャナーが数々の賞を受賞した理由を深く理解する

たった7,000元！コスト効率に優れた光硬化型3DプリンターForge 1

年間生産能力700トンに到達！ Panxingが金属3Dプリント粉末材料市場に参入

万芳発展は王華明院士と協力し、3Dプリントの産業化を推進

3D プリント業界のパイオニアである Materialise は、顧客の能力を高め、効率を向上させるソフトウェアアルゴリズムを共有しています。

金属3Dプリント部品の内部粉末洗浄の問題を解決するために、蘇州北峰は新製品AmPro-G2をリリースしました。

[分析] FDM成形に基づく3Dプリント技術におけるポリマー材料の応用

興味のあるSAMPE China 2018国際学術会議セッションに投票してください

Heige Technologyは中国のユニコーン企業リストに載っており、3Dプリンティングによるデジタル製造が業界の価値を高めている。

eSUNハロウィーングローバル3Dプリントコンテストの結果が正式に発表されました

マテリアライズ、コミュニケーションコストを簡素化する医療ケース管理用ソフトウェア「Mimics Flow」をリリース

新しいスケーラブルな3Dプリントチタン骨ネジ：手術結果を効果的に改善できる

3Dプリント+VR技術、インターネットは金の店のビジネスさえも覆そうとしている