【分析】熱溶解積層法3Dプリンタで形成した金属部品の層間接合に関する研究

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-12 13:53 に最後に編集されました。

熱溶解積層法 3D プリントは、金属部品の新しい高速製造プロセスです。この技術の原理は、まず、ノズルに供給された金属線を高周波誘導加熱で急速に溶かし、次に溶融金属材料を薄い層 (0.1～2) mm/層で層ごとに堆積させ、コンピューターで事前に設計された 3 次元立体グラフィックスから部品の実体を迅速かつ正確に複製することです。熱溶解積層法 3D プリントは誘導加熱を使用するため、選択的レーザー焼結法 (SLS)、選択的レーザー溶融法 (SLM)、レーザーニアネットシェーピング法 (LENS)、電子ビーム選択溶融法 (EBSM) などの既存の成熟した金属材料 3D プリント技術と比較して、設備コストと運用コストの面で明らかな利点があります。

現在、国内外で金属部品の3Dプリントプロセスの温度場に関する研究が多く行われています。溶融堆積法による金属部品の 3D プリントは、液体金属が徐々に固体状態に変化する熱プロセスです。熱の入力と伝播は成形プロセス全体にわたって行われ、熱作用プロセスによって、成形された部品の層間結合と応力場とひずみ場の分布が決まります。したがって、成形プロセスにおける温度場の分布と変化の法則を研究することは非常に重要です。自作のテストプラットフォームを使用して、ビスマス - スズ低融点合金 (組成: ビスマス 58%、スズ 42%、融点: 138°C) の溶融堆積 3D プリントを実行しました。数値シミュレーションとプロセス実験を組み合わせることで、溶融金属温度（T1）、基板温度（T2）、堆積速度（v）などのプロセスパラメータが成形プロセス中の温度変化と最終成形部品の層間結合に及ぼす影響を詳細に研究しました。

2 有限要素シミュレーションモデルの構築
2.1 数学モデル
熱溶解積層法 3D プリントのプロセス中、成形システム内の温度場やその他の熱パラメータは時間とともに継続的に変化します。したがって、温度場の有限要素シミュレーションは非線形過渡熱解析問題に属し、次の熱伝導微分方程式で記述する必要があります。

シミュレーション中の溶融金属と成形基板の実際の温度値は、熱電対を使用して測定されました。成形された金属体と周囲の空気との接触面は自然対流熱伝達であり、次のように表すことができます。

金属材料は、急速に溶融してから印刷されて固化する過程で複雑な相変化プロセスを経て、大量の熱を吸収または放出する必要があります。そのため、金属部品の溶融堆積 3D 印刷プロセスの温度場をシミュレートする場合、相変化の潜熱は無視できない要素の 1 つです。 ANSYSは、式(3)に示すように、温度による物質のエンタルピーの変化を定義することにより、相変化の潜熱を考慮します。

2.2 物理モデル

研究所は、図 1 に示すように、数値シミュレーション物理モデルを確立しました。モデルの下部は、サイズが（200×200×10）mmでQ345低合金鋼で作られた成形基板であり、基板の上部は、サイズが（80×32×20）mmの成形金属部品です。メッシュ作成には、ANSYS の Solid70 熱ユニットが使用されます。このユニットには 8 つのノードがあり、各ノードには 1 つの温度自由度しかありません。このユニットは、3 次元の静的または過渡的な熱解析に使用でき、3 方向への均一な熱流の伝達を実現できます。実際の堆積単層厚さ2mmに合わせて、形成された部品は（2×2×2）mmのユニットに分割され、合計10層、6400ユニットになります。基板はより大きな単位グリッドに分割されるため、分析時間を節約できます。シミュレーション中、成形環境温度は 20 °C に設定されました。
形成基板AB

図1 熱溶解積層法3Dプリンティングの有限要素解析の物理モデル
3 成形品の温度分布のシミュレーション結果と解析<br /> 成形部品の性能に影響を与えることなく、積み重ね速度を適切に上げることで、成形効率を効果的に向上させることができます。本研究では、溶融金属温度T1=160℃、基板温度T2=90℃に設定した条件下で、異なる積層速度(v)におけるビスマス-スズ合金印刷プロセスの温度変化をシミュレートした。積層速度をv = 4 mm/sおよびv = 16 mm/sに設定し、成形部品の最後のユニットが作動した場合（つまり、時間tがそれぞれ3200秒および800秒）、成形部品の温度分布を図2（a）および図2（b）に示します。

(a) v = 4 mm/s
(b) v = 16 mm/s。図2 異なる積層速度における成形部品の温度分布図2からわかること：
（1）金属部品溶融堆積3Dプリント技術の成形特性により、各ユニットの活性化時間は同期されておらず、成形部品の温度分布は極めて不均一です。活性化ユニットとその周辺領域の温度は高く、活性化ユニットから遠い領域の温度は低くなります。
（２）温度場は活性化されたユニットの後ろに尾を形成し、蓄積速度が速いほど尾は顕著になる。
（３）積層速度が速くなると、成形品全体の温度が上昇し、高温熱影響部が大きくなるため、成形品の層間接合性能が向上し、成形品の品質が向上するという利点もある。

4プロセステストと分析<br /> プロセス実験には、自作の熱溶解積層法3Dプリント成形テストプラットフォームを使用しました。最大成形サイズは（100×100×80）mm、最大積層成形速度は20mm/sでした。まず、異なる溶融金属温度（T1）、基板温度（T2）、積層速度（v）条件下で形成されたビスマス-スズ合金体の層間結合をプロセス実験を通じて研究した。

4.1 層間接着に対する温度の影響に関する実験的研究<br /> 図3に示すように、6層ビスマス-スズ合金体の印刷成形試験を、異なる溶融金属温度（T1）と基板温度（T2）の下で実施した。試験時の積層速度はv=8mm/sに設定され、成形部品の層間結合が6つの基準に従って比較され、採点されました。で、
1 は、レイヤー間に明確な分離があることを意味します。
2 は、層間に分離はないが、層間の結合面が明らかであることを意味します。
3は層間界面の局所的な融合を表す。
4 は層間に明らかな結合面がないことを意味します。
5 は、レイヤー間のほぼ完全な融合を表します。
6 はレイヤーの完全な融合を表します。

図 3: 図 4 に示すように、溶融堆積 3D プリントによって形成された 6 層ビスマス - スズ合金固体のスコアリング結果。図4から、溶融金属と基材の温度が上昇するにつれて、成形部品の層間結合が徐々に向上することがわかります。試験中、溶融金属と基材の温度が高すぎると、成形部品が部分的または完全に崩壊し、成形不良につながることが判明しました。実験条件下で得られた最適温度パラメータは、溶融金属温度T1=160℃、基板温度T2=90℃です。

図4 異なる温度パラメータ下で形成されたエンティティの結合4.2 積層速度が層間結合に与える影響に関する実験的研究<br /> ここで、溶融金属温度と基板温度はそれぞれT1=160℃とT2=90℃に設定されている。6層ビスマス-スズ合金体の成形試験は、異なる積層速度v=4mm/sとv=16mm/sで実施される。サンプルの引張特性は、WDW-10マイクロコンピュータ制御の電子万能試験機を使用して試験される。試験結果を表1に示す。このうち、１＃は積層速度ｖ＝４ｍｍ／ｓで得られたサンプル、２＃は積層速度ｖ＝１６ｍｍ／ｓで得られたサンプル、３＃は通常の押し出し鋳造で得られたサンプルを表す。
表1 引張特性試験結果

表1のサンプルの引張特性試験結果から、次のことがわかります。(1) 積層速度を上げると、成形体の引張特性が向上します。v = 4 mm/sで得られたサンプルと比較して、v = 16 mm/sで得られたサンプルの引張強度は10.9%増加し、降伏強度は9.8%増加し、破断後の伸びは12.4%増加しました。(2) 特定のパラメータ条件下では、印刷されたスズビスマス合金部品の引張特性は、通常の押し出し鋳造部品の引張特性に匹敵します。

JSM-6510走査型電子顕微鏡を用いて伸張サンプルの層間結合を観察した結果を図4に示す。図4（a）に示すように、v = 4 mm/sの条件下で形成された固体は、明らかな層間未融合現象を示し、局所的に層間ギャップが存在する。しかし、図4（b）に示すように、v = 16 mm/sの条件下で形成された固体の層間結合は比較的緻密であり、明らかな層化は観察されない。積層速度が増加すると、形成された実体の層間接合性能が大幅に向上することがわかります。

図4 異なる積層速度で形成された固体層間の結合の低倍率SEM写真5結論
（１）積層速度の増加に伴い、金属体の温度が上昇し続け、高温熱影響部が増加するため、成形部品の層間接合性能が向上し、成形部品の品質が向上する。
（２）成形体の層間結合は温度パラメータの上昇とともに徐々に改善される。しかし、溶融金属と基板の温度が高すぎると、成形体の部分的または完全な崩壊を引き起こす可能性がある。本研究の実験条件下での最適温度パラメータは、溶融金属温度160℃、基板温度90℃である。
（３）積層速度が低い場合と比較して、積層速度が高い条件では、形成された金属体の引張特性および層間結合が大幅に改善される。本研究では、最適な積層速度v=16mm/sの条件下で、良好な層間結合を有する金属体を得ることができ、その引張強度、降伏強度および破断後の伸びは、v=4mm/sで得られたサンプルと比較してそれぞれ10.9%、9.8%および12.4%増加した。

編集者: Antarctic Bear 著者: Shan Zhongde、Yang Lining、Rong Wenjuan、Liu Feng (機械科学総合研究所先進成形技術設備国家重点研究室)

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