航空部品における粉末床積層造形の有限要素シミュレーションの応用技術の研究

多くの人にとって、積層造形技術は、部品の3次元モデル情報のみを取得し、技術的な難しさは全くない単純な材料重ね合わせプロセスと見なされています。実際、サポートの破損やパーツの反りなどにより、印刷プロセス中に印刷が中断されたり、長期間の印刷後にパーツにひび割れや故障が見つかったりすることも珍しくありません。根本的な理由は、積層造形、特に金属粉末床積層造形は急速凝固プロセスであるためです。製造プロセス中に生成される大量の残留応力により、部品の破損、反り、ひび割れなどの問題が発生します。付加製造プロセスに関する標準と仕様が不足しているため、粉末床付加製造では現在も従来の「試行錯誤」モデルが使用されています。部品を 1 回で正常に製造できる確率は非常に低く、材料、機械時間、労力が大幅に無駄になります。特に航空部品の製造においては、「試行錯誤」型の付加製造モデルは、効率が低くコストが高いという技術的な限界を示しています。

上記の問題に対応するため、本稿では有限要素シミュレーション技術を使用して航空部品の積層造形プロセスをシミュレートおよび分析し、印刷プロセス中の部品の破損、反り、割れなどの技術的問題を効果的に解決し、積層造形プロセスエンジニアにプロセス開発時間を短縮し、部品の品質を向上させるソリューションを提供し、「初めて成功する」部品の印刷という目標を推進します。

1. 有限要素法の概要<br /> 有限要素法は、有限個の単位で区分補間を実行することによって機械的、物理的、およびその他の問題を解決する数値解法です。積層造形の科学的研究では、部品構造形状の幾何学的非線形性や、温度場や応力場などの複数の場の結合下での材料の非線形性などの問題を解決するために、有限要素法がよく使用されます。
現在、粉末床積層造形の有限要素シミュレーションでは、主に Simufact (AM を含む金属製造プロセスシミュレーションソフトウェア) が採用されています。材料の固有パラメータ (化学組成、熱力学特性、機械特性、応力-ひずみ曲線など)、サポートスキーム、レーザープロセスパラメータ (レーザー出力、スキャン戦略、レーザースポット、スキャン間隔など)、熱処理プロセス、基板切断方向、サポート除去などのプロセスパラメータ (図 1 を参照) を入力すると、印刷、熱処理、ワイヤー切断、サポート除去などの複数の段階での部品の応力、ひずみ、残留応力の分布、および部品サイズ (変形サイズ) と機械特性の影響を取得できます。これにより、製造を開始する前に設計スキームを最適化し、最終的に許容できる部品を製造できます。

図 1 Simufact ソフトウェアの材料固有パラメータの入力インターフェイス有限要素シミュレーション技術を粉末床積層造形に適用すると、いくつかの変化がもたらされます。部品製造前に正確な部品変形と残留応力の結果を提供でき、成形リスクが軽減され、「1 回の印刷成功」の成功率が向上します。構築方向 (水平、垂直、またはその他の方向) をテストして、最適な印刷ソリューションを特定できます。さまざまなサポートソリューションを「無償」でチェックして、「試行錯誤」せずにサポートソリューションの実現可能性を検証できます。さらに、プロセスチェーンの問題をさらに解決して、部品の構築プロセスで実行される一連の手順を調査できます。要約すると、粉末床積層造形におけるシミュレーション技術の効果的な使用により、部品を製造する前に部品に影響を与える変数を効率的に調査することができ、R&D サイクルを大幅に短縮し、機械/人的資源の利用率を向上させ、材料とエネルギーの消費を削減することができます。この観点から、この技術は、航空部品の迅速な製造における推進と応用に大きな可能性を秘めています。

2. 航空部品の有限要素シミュレーション研究

2.1 シミュレーション検証テスト<br /> チタン合金材料の比強度は、高強度アルミニウム合金、マグネシウム合金、高温合金、高強度鋼よりもはるかに高く、航空部品の製造に適した材料の 1 つとなっています。チタン合金の粉末床積層造形法では、特に基板平面に投影された部品の断面積が大きな割合を占める場合、成形工程中に極めて大きな残留応力が生じることが多く、チタン合金部品の「形状制御」が非常に困難になります。基板平面に投影された部品の断面積が基板平面の26.79%しか占めない場合、印刷プロセス中の残留応力の解放により、厚さ25mmのステンレス基板が5mmも反ってしまうと言っても過言ではありません。そのため、チタン合金の標準機械試験片を水平方向に印刷したとしても、その後の応力除去焼鈍処理を行わずに直接ワイヤーカットを行うと、図2に示すように、すべての水平方向の機械試験片で2mmを超える反り変形が発生します。

図2 チタン合金印刷部品の反りの模式図。Simufactソフトウェアの信頼性を検証するために、TC4チタン合金の固有パラメータ（鍛造品の固有パラメータ）、サポートスキーム、レーザープロセスパラメータ、ワイヤーカット方法を入力してシミュレーション解析を行い、印刷およびワイヤーカット後の部品の残留応力の分布を計算し、図3に示すように、さまざまな方向の部品の変形結果を取得しました。

図3 シミュレーション印刷プロセス中のTC4チタン合金機械部品の変形図3からわかるように、水平に配置されたTC4チタン合金機械部品を応力緩和焼鈍なしに直接ワイヤーカットすると、印刷およびワイヤーカットプロセス中に発生した残留応力が部品のさまざまな位置で解放されます。端部の残留応力が最大に達し、反りが発生します。最大反り変形は2.37mmに達します。シミュレーション結果は基本的に実際の状況と一致しており、Simufact ソフトウェアの精度と信頼性が検証されています。

2.2 支持アームの有限要素シミュレーション研究<br /> 古い戦闘機の武器などの航空部品については、国内の生産ラインがすべて停止しているにもかかわらず、航空機は依然として任務を遂行する必要があるため、古い部品の製造に積層造形技術を使用すると、生産ラインを復旧する必要がないため、航空分野における多品種少量生産のカスタマイズに迅速に対応でき、固定資産への巨額の投資を回避し、現代戦の新たな要件である「4つの高速化」、すなわち迅速な対応、迅速な製造、迅速な修理、戦闘効果の迅速な回復に適応できるという大きな利点があります。

しかし、付加製造技術は万能薬ではありません。航空機部品にはさまざまな材質、形状、構造があります。ある種類の材質のプロセスとサポートソリューションを習得しても、必ずしも他の部品にも適用できるとは限りません。実際、プロセスの普遍性と不合理なサポート設計により、印刷後に部品が割れたり反ったりすることはよくあります。図4はサポートアームの3次元モデルです。サポートの設計とプロセス設定は「経験」に基づいています。結果は、この「経験的」プロセスとサポートソリューションが合理的ではないことを示しました。印刷後、サポートアームが印刷開始時に反り返って変形し、大量の材料と時間の無駄が発生していることがわかりました。印刷を開始する前にソリューションの実現可能性を評価する効果的なシミュレーション方法があれば、この経験的誤差を回避できます。

図4 サポートアームの反り変形サポートアームの変形の原因を分析するために、アルミニウム合金材料の固有パラメータ（鋳造標準を参照）、サポートスキーム、およびレーザープロセスパラメータをSimufactソフトウェアに入力しました。有限要素シミュレーションにより、図5に示すように、印刷プロセス中のサポートアームの変形が得られました。図 5 からわかるように、実際の印刷プロセスとサポートソリューションを使用すると、印刷中にアームが大きく変形する場所は部品の前端であり、最大変形は 3.03 mm に達します。シミュレーション解析により、実際の印刷工程における部品の位置や変形量を正確に予測します。

図5 印刷中のサポートアームの変形解析2.3 ガイドブレードの有限要素シミュレーション研究<br /> 航空機エンジンとガスタービンは産業の至宝です。その高温高圧部品は複雑で過酷な条件下で作動し、使用中に深刻な損傷を受け、製造が困難です。特にガイドベーンの製造技術は、欧米の少数の国のみが習得しており、外部から厳重に遮断されています。我が国はいくつかの重要な技術で画期的な進歩を遂げ、それを応用してきましたが、新しい構造と新しい材料による高温高圧部品の製造ニーズを満たすには程遠い状況にあります。付加製造に基づくリバースエンジニアリング技術を使用すると、複雑な高温高圧部品を迅速に製造し、研究開発コストを削減し、開発サイクルを短縮し、他者による制約のジレンマを解消できます。

通常、航空機エンジンやガスタービンに使用される高温高圧部品は、形状が多様で内部の流路が複雑であり、使用される材料も非常に高価です。部品の1回あたりの印刷成功率を向上させることは、製造コストを削減する重要な要素です。例えば、ガスタービンに使用されるガイドブレードはこのタイプの部品に属します。ガイドブレードの1回あたりの印刷成功率を向上させるために、2つの異なる配置方法とサポート方式を採用しました。対応する高温合金の固有パラメータ（鋳造標準を参照）、レーザープロセスパラメータ、応力緩和アニーリングプロセスパラメータ、およびワイヤ切断方法を入力してシミュレーション分析を実行しました。結果を図6に示します。

図6 異なる配置形態におけるガイドブレードのシミュレーション解析結果図6からわかるように、上記2つの配置方法を使用すると、部品の向きが完全に反対（180°回転）になっているにもかかわらず、シミュレーション結果から、基板面付近で大きな変形があり、最大変形は2.27mmに達します。シミュレーションの精度を検証するために、2 つの方式を使用してガイドブレードをテストしました。結果を図 7 に示します。図7から、実際の印刷状況がシミュレーション結果と一致しており、シミュレーション計算によって得られた変形面が実際の印刷された変形面と完全に一致していることがわかります。

図7 異なる配置形態でのガイドブレードの実際の印刷
3 結論 シミュレーション技術の急速な発展に伴い、この技術は積層造形において独自の利点を示し、複雑な航空部品の粉末床積層造形プロセスにおける温度場、応力場、変形などの正確な参照を提供し、従来のプロセス最適化プロセスにおける消耗的な「試行錯誤」モードから脱却し、積層造形のメカニズムの探求とプロセス最適化において重要な指導的役割を果たしています。しかし、現在の粉末床積層造形シミュレーション技術には依然として限界があり、ビッグデータに基づく統合と大規模開発が、粉末床積層造形技術の今後の発展の重要な方向となっている。

（１）材料固有パラメータは、シミュレーション結果の精度に影響を与える重要なパラメータの１つである。現在、シミュレーションソフトウェアに入力される固有の材料パラメータのほとんどは、類似材料の鋳造および鍛造の指標に従っていますが、これは 3D プリント部品の特性を評価および予測するには不完全かつ不正確です。そのため、3Dプリントされた標準試験片に基づいて材料の固有パラメータに関するビッグデータを確立する必要があります。

（2）シミュレーション技術は、積層造形プロセス全体の単一段階で温度場、応力場、残留応力の計算を実現し、単純な重ね合わせで部品の最終成形効果を予測することができます。しかし、その総合的な結合能力はまだ十分ではなく、多段階および多場結合は将来の開発の傾向です。

（３）現状では、境界条件の設定、計算時間、大型部品の計算精度などの制限により、シミュレーション技術では粉末床レベルでの部品の正確な予測しかできず、大型部品をシミュレーションすることができない。大規模シミュレーションも今後の開発トレンドの一つです。

著者: Li Li1, 2、Liu Xiaohui3、Dai Yu1, 2、Ning Min3、Yang Pan3、Yang Wen1, 2
1. 湖南省ディンリテクノロジー株式会社、2. 湖南省新熱設備工学技術研究センター、3. 長沙5712航空工業株式会社)

航空部品における粉末床積層造形の有限要素シミュレーションの応用技術の研究

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