リーンR&D、SLM金属3Dプリンターの動的シールシミュレーション分析

選択的レーザー金属溶融3Dプリンティング（市場ではSLM、DMLS技術として知られています）に関しては、現在市場にある産業用アプリケーションには、GEの燃料インジェクター、シーメンスのブレード、BMW i8ロードスター電気自動車ブラケットおよびその他の部品が含まれます。

選択的レーザー金属溶融3Dプリント技術は、高付加価値で個性的な部品の製造において大きな発展の可能性を秘めています。合金の結晶化制御から部品の精度と複雑さまで、3Dプリントは産業の再設計を促進するだけでなく、部品製造と部品修理の過程で生産資源を節約し、最終製品の性能を向上させることで製品ライフサイクルの価値を高めます。

では、レーザー溶融金属 3D プリンターでより高品質な製品を生産したい場合、金属 3D 印刷プロセスのフィードフォワード制御とプロセス制御機能を強化することに加えて、選択的レーザー溶融金属 3D 印刷装置の信頼性を向上させることで、最終的に製品の品質を向上させることができるのでしょうか。

金属 3D 印刷装置の開発におけるシミュレーションの役割は、室温での Workbench に基づく Ansemeria Asia Pacific の選択的レーザー溶融金属 3D プリンターの動的シールシミュレーション分析を通じて共有されます。

画像: 産業化された選択的レーザー溶融金属3Dプリント技術

シーリングの重要性 選択的レーザー溶融金属 3D 印刷のプロセスは、まず粉末スプレッダーが金属粉末を印刷プラットフォーム上に広げ、次にレーザーが印刷パスに従って金属粉末を溶かして印刷層を完成させます。各層が印刷された後、印刷プラットフォームは 1 層の高さを下げ、完全な 3 次元コンポーネントが形成されます。印刷プロセス全体は不活性ガス環境で実行されます。

選択的レーザー溶融金属 3D プリンターは比較的複雑なシステムで、主に機械ユニット、光路ユニット、制御ユニット、プロセスソフトウェア、保護気密ユニットで構成されています。選択的レーザー溶融金属 3D プリンターでは、印刷室全体の気密性や印刷プラットフォームの密閉など、シーリングが広く使用されています。

シールは、一般的に静的シールと動的シールに分けられます。静的シールは、シールされる部品の 2 つの結合部間に相対的な動きがないシールを指します。一方、動的シールは、シールされる部品の 2 つの結合部間に相対的な動きがあるシールを指します。動的シールは、一般的に回転動的シールと往復動的シールに分けられます。

選択的レーザー溶融金属 3D プリンターの印刷プラットフォームの動的シール設計は、シール設計全体の最優先事項であり、難しい問題でもあります。印刷プラットフォームの動的シール設計が良好でない場合、金属 3D プリンターの印刷品質と印刷効果に重大な影響を及ぼし、シールリングの耐用年数にも影響を及ぼします。印刷プラットフォームシールの交換は非常に時間がかかり、労働集約的で面倒な作業であるため、選択的レーザー溶融金属 3D プリンターの印刷プラットフォームの動的シール設計にはより高い設計要件が課せられます。

模型作り 図1は、あるタイプの選択的レーザー溶融金属3Dプリンターの印刷プラットフォームの断面図を示しています。印刷プラットフォームの構造は、主に、成形シリンダー、印刷テーブル、印刷接続支持板、ピストンベースプレート、およびシールリングで構成されています。

図1. 選択的レーザー溶融金属3Dプリンターの印刷プラットフォームとダイナミックシールの局所構造の断面図

この計算モデルでは、計算の負荷を軽減するために、2次元平面計算を採用し、計算の重要でない部分を無視しながら、選択領域レーザー溶融金属3Dプリンターの印刷プラットフォーム上でXOY平面で断面処理を実行します。モデル計算の収束を早めるために、シール周辺の構造のみを解析対象とします。後続の計算の収束を確実にするために、成形シリンダーをY軸に沿って2mm左に移動します。つまり、シールと成形シリンダー間の元の干渉嵌合をクリアランス嵌合に変更します。後続の計算の最初の荷重ステップでは、成形シリンダーをY軸に沿って2mm右に移動して、シールと成形シリンダー間の実際の組み立て関係をシミュレートします。これにより、シミュレーションモデルが実際の物理モデルと一致することが保証されます。

動的シール構造の有限要素モデルの構築 計算モデルは2D平面構造であるため、メッシュモデルは主に四角形ユニットで構成され、一部のメッシュは三角形ユニットです。鋼構造部品のメッシュサイズは0.8mmに分割され、シールリングのメッシュサイズは0.7mmです。同時に、計算の収束性を高めるために、接触部分のメッシュを細分化しています。密閉構造モデルには、図 2 に示すように、合計 17695 個のユニットと 36124 個のノードがあります。

図2 選択されたレーザー溶融金属3Dプリントプラットフォームのシール構造とシールリングのローカルメッシュモデル

有限要素モデル全体は、実際の状況に応じて、合理的な接触関係、摩擦接触、結合接触を確立する必要があります。

シミュレーションモデルの部品に使用される材料は、主に 316 ステンレス鋼とフッ素ゴムです。316 ステンレス鋼は、Workbench 材料ライブラリの材料パラメータを使用して計算され、フッ素ゴムは Mooney-Rivlin モデルを使用してシミュレートされます。Mooney-Rivlin モデルは、比較的一般的なモデルで、小中程度の変形に適しており、通常、ひずみが約 100% (引張) および 30% (圧縮) の状況に適しています。

動作条件の説明: 室温で、動的シール解析条件は 3 つの負荷ステップでロードされます。最初に、シールリングと成形シリンダーの事前変形が完了します。次に、シールリングに対する成形チャンバーの上部圧力が考慮されます。最後に、印刷プラットフォーム全体が成形シリンダー内で上下に移動します。

シミュレーションにより、シーリングソリューションの長所と短所についての洞察が得られます
1. 強度分析結果 シミュレーション計算により、シールリングの最大応力は 2.87MPa であり、最大応力はシールリングと上部スプリングシートの上部接触位置にあることがわかります。これは、シールリングが圧縮され、U 字型スプリングシートに作用することによって発生します。詳細については、図 3 を参照してください。

図3 シールリングの応力結果クラウド図と局所最大応力の拡大図

2. 接触面積分析結果 シールリングが圧縮された後、シールリングと成形シリンダーとの接触面積がシール効果に大きな影響を与えます。シールリング歯１～４の接触面長さは、図４に示すように、それぞれ０．６ｍｍ、０．９ｍｍ、０．８ｍｍ、０．５ｍｍである。スプリングシートは、シールリングと成形シリンダー間の接触面積を効果的に増加させ、シール効果の向上に役立ちます。

図4 シールリング歯1～4の接触面の長さ

3. 接触圧力分析結果接触面の接触圧力もシール品質に影響を与える重要な要素です。シールリングと成形シリンダー間の最大接触圧力は0.75MPaで、これは第1歯の先端に位置しており、第1シールのシール効果が良好であり、金属粒子がシールリングに入るのを効果的に防ぐことができることを示しています（図5を参照）。

図5 シールリングと成形シリンダー間の接触圧力

CAEシミュレーション分析を通じて、選択的レーザー溶融金属3Dプリンター印刷プラットフォームの動的シール設計スキームの関連性能パラメータを迅速に取得できます。性能パラメータを比較して分析することで、さまざまな動的シール設計スキームの長所と短所を理解し、スキームを修正および改善し、最適な設計スキームを選択できるため、製品全体の研究開発サイクルを大幅に短縮し、製品の研究開発コストを削減できます。

著者：
李新禄は自動車工学を専攻し、修士号を取得しています。自動車業界でのCAEシミュレーション解析の経験は10年以上あります。国内の完成車や部品のシミュレーション解析コンサルティングプロジェクトに数多く参加し、実施し、エンジニアリングシミュレーション解析プロジェクトで豊富な経験を積んでいます。自動車業界の構造CAE解析、車両衝突解析、乗員拘束システム解析、NVH解析、新エネルギー車バッテリーパックのCAE解析を専門としています。同時に、現在は主にいくつかの付加的な機器の構造シミュレーション解析プロジェクトに携わっています。

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

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