インドの学者が3Dプリントの溶融池形態のシミュレーションと検証に成功

インドの学者が3Dプリントの溶融池形態のシミュレーションと検証に成功
寄稿者: Zhu Shuo、Zhang Hang

選択的レーザー溶融(SLM)プロセスでは、高速レーザーが粉末に作用して急速な冷却と加熱の効果を生み出し、形成された部品に変形や亀裂などの欠陥が生じやすくなります。必要な部品を形成するには通常、複数の試行錯誤が必要であり、試行錯誤にかかるコストの高さが SLM 技術の開発を妨げてきました。近年、研究者は、試行錯誤のコストを削減するために、コンピューター数値シミュレーションを通じて SLM プロセス中の温度場性能をシミュレートし、コンポーネントの欠陥の原因を分析することに取り組んでいます。

インド工科大学の研究チームは、体熱源を用いてレーザー光源をシミュレートし、高温での材料の蒸発を無視し、材料間の熱伝導と放射を考慮して熱伝達モデルを構築し、Ti6Al4V粉末のSLM数値シミュレーション実験を実施しました。彼らは、レーザー出力とスキャン速度という 2 つの主要なプロセス パラメータを変化させてシミュレーションを実行しました。図 1 は、準定常状態に達したときの 100W レーザー出力と 500mm/s のスキャン速度での単一スキャンのシミュレーションされた温度場分布を示しています。

図 1 シングルパススキャンのシミュレーションされた温度場分布を図 2 に示します。レーザー出力 100 W、スキャン速度 500 mm/s の条件下では、計算された溶融プールの再溶融領域は、実験的に測定された再溶融領域の形態と高い整合性を示します。図 3 は、エネルギー密度が低い条件下では、計算された溶融プールのサイズが実験的に測定された溶融プールのサイズと非常によく一致していることを示しています。


図 2 計算による溶融池と測定された溶融池の再溶融領域形態の比較図 3 計算による溶融池と実験的に測定された溶融池寸法の比較 (a) 幅 (b) 深さ図 4 は、スキャン速度がそれぞれ 100mm/s、200mm/s、300mm/s の場合の計算による最大溶融池温度と測定による最大溶融池温度の比較を示しています。 SLM プロセスにおける急速冷却効果により、高温での温度測定には誤差が生じます。現在の温度差は 300K であり、シミュレートされた最高温度は実際の最高温度とよく一致していると考えられます。


図4 溶融池の計算された最高温度と測定された最高温度の比較 現在、コンピュータ数値シミュレーションでは、さまざまな実験パラメータの下でSLMプロセス中の温度場をある程度の信頼性で計算できます。計算モデルが改良され続けるにつれて、研究者はより正確な温度場データに基づいて問題を発見し、レーザー出力やスキャン速度などの実験パラメータを調整できるようになり、実験回数が減り、試行錯誤のコストも削減されます。

参考文献:
Ashish Kumar Mishra、Arvind Kumar、「Ti6Al4Vの選択的レーザー溶融における粉末層での体積エネルギー吸収が熱流体輸送に及ぼす影響の数値的および実験的解析」、Optics & Laser Technology、第111巻、2019年、227-239ページ。


寄稿者: Zhu Shuo、Zhang Hang 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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