レーザー3Dプリント溶融池の凝固挙動を能動的に追跡する国産数値シミュレーション法

金属3Dプリントのプロセスにおいて、レーザー3Dプリント溶融池の凝固挙動に関する国際的な研究は主に温度場に焦点を当てており、温度場データの二次処理を経て温度勾配や溶融池凝固速度などのデータを間接的に取得しており、時間と空間における凝固挙動を積極的に追跡して記録することは不可能である。熱物理データは、手動の後処理によって間接的に取得されますが、データポイントの取得が不正確になりやすく、データの精度も低くなり、3D プリントの溶融池の凝固挙動の正確な分析には役立ちません。
南京航空航天大学の顧東東教授のチームは、アルゴリズムを使用して、時間と空間の変化に基づいてレーザー3Dプリント溶融池の凝固挙動を積極的に追跡しようとしました。これは天気予報のロジックに似ています。
アルゴリズムは変化する動作をシミュレートするために使用されますが、わかりにくいように思えるかもしれません。人生における具体的な例としては、天候の変化は地球の周りの大気の動きの変化の結果である、ということが挙げられます。物理学における流体力学と熱力学の基本法則は、大気の動きと変化を分析するために使用することができ、これらの法則は数学的な言語で数式として記述することができます。そして、人々は大型コンピュータを使ってこれらの数式を解き、特定の地域の将来の気圧、気温、風向、風速、降水量などを予測します。海外のweather.comの天気予報は非常に正確で、アルゴリズムが非常に優れていることを意味します。
なぜ溶融池の凝固挙動を研究する必要があるのでしょうか?レーザー加工プロセス中、溶融池の凝固挙動は、最終的なレーザー 3D プリント部品の総合的な性能に重大な影響を及ぼします。凝固速度が遅すぎると粒子が粗大化し、材料の強度が大幅に低下します。一方、凝固速度が速すぎると、部品内部に微小亀裂や気孔などの加工欠陥が発生しやすくなり、使用中に部品が早期に故障する原因となります。同時に、凝固挙動によって生じる残留応力集中の問題は、ワークピースの寸法精度や表面粗さと密接に関係しています。

レーザー3Dプリント溶融池の凝固挙動の数値シミュレーションは、質量、運動量、熱などの多重伝達を含む、3次元空間スケールと複雑な物理冶金現象を伴う総合的な研究作業です。レーザー3Dプリント溶融池の凝固挙動に関するこれまでの研究は、主に温度場に焦点を当てており、温度場データの二次処理を経て、温度勾配や溶融池凝固速度などのデータを間接的に取得しており、時間と空間における凝固挙動を積極的に追跡して記録することは不可能でした。
レーザー3Dプリントプロセスは、粉末の高温溶融と溶融池の急速な冷却を特徴としています。溶融池の凝固挙動を実験的に観察、記録、分析することは容易ではありませんが、溶融池凝固プロセスに関与する温度場、温度勾配、溶融池凝固速度などは、成形部品の使用性能に直接影響します。良好な凝固挙動は、応力蓄積を弱め、残留応力の合理的な分布を実現し、成形部品内部の微小亀裂や気孔の発生を効果的に低減し、荷重支持時の部品の早期破損を回避します。

南京航空航天大学は、有限要素シミュレーションソフトウェアと計算プロセスを使用して、レーザー 3D プリントの温度場を計算します。ニュートン・ラプソン法を用いて三次元熱伝導制御方程式を計算し、収束するまで計算を繰り返し、最終的にレーザー3Dプリントの温度場、凝固速度、温度勾配、溶融池形態を取得します。

南京航空航天大学の方法には、以下の手順が含まれます。
1. 3Dプリントの3次元有限要素モデルの構築有限要素シミュレーションソフトウェアでワークピースの計算ジオメトリモデルを確立し、ワークピースの材料特性を定義し、ワークピースをメッシュ化して、最終的にワークピースの3次元有限要素モデルを取得します。

2. 制御方程式の確立：第 1 ステップで確立した 3 次元有限要素モデルに対して制御方程式を確立します。制御方程式は 3 次元熱伝導方程式であり、3 次元熱伝導方程式の初期条件と境界条件は 3 次元有限要素モデルに従って設定されます。

3.3D 印刷温度場計算 2 番目のステップで設定された初期条件と境界条件に基づいて、ニュートンラプソン法を使用して 3 次元熱伝導方程式を計算し、3 次元有限要素モデルのさまざまな場所にガウス熱源を適用したときに 3D 印刷プロセス中に時間とともに変化する 3 次元有限要素モデル内の各グリッドノードの温度 T を取得します。つまり、3 次元有限要素モデルの温度場を取得します。

南京航空航天大学の方法には次のような有益な効果があります。
対応関係の確立：コンピューターを使用してレーザー3Dプリントプロセスをシミュレートし、レーザー3Dプリント有限要素モデルを採用することで、処理プロセス中に溶融池の凝固挙動を時間と空間で積極的に追跡および記録できます。これにより、ノード情報をより正確にキャプチャして熱物理データを記録し、レーザー3Dプリントプロセスにおける溶融池の凝固挙動を分析および習得できます。これにより、プロセス-凝固挙動-組織-パフォーマンスの対応関係が確立され、複合材料処理技術の策定と最適化、および3Dプリント部品の総合的なパフォーマンスの向上のための理論的ガイダンスが提供されます。

正確性：数値シミュレーション、材料科学、材料熱力学などの分野を組み合わせることで、レーザー加工プロセスにおける粉末連続固相変化-凝固問題の役割を同時に考慮します。温度場モデルを解き、対応点の凝固速度を積極的に追跡して計算することにより、加工プロセス中の溶融池の凝固挙動を正確に取得します。計算結果は実験結果と一致しています。図：レーザー3Dプリントプロセスの数値シミュレーション用に構築された有限要素モデル、出典：南京航空航天大学図：レーザー3Dプリントプロセスにおける溶融池の上面と断面の温度場分布クラウドマップ、溶融池の上面の温度場分布クラウドマップ、出典：南京航空航天大学図：レーザー3Dプリントプロセスにおける溶融池の上面と断面の温度場分布クラウドマップ、溶融池の断面の温度場分布クラウドマップ。出典：南京航空航天大学図：レーザー3Dプリント中の溶融プールの幅方向と深さ方向の温度分布、溶融プールの幅方向の温度分布。出典：南京航空航天大学図：レーザー3Dプリント中の溶融プールの幅方向と深さ方向の温度分布、および溶融プールの深さ方向の温度分布。出典: 南京航空航天大学写真は、レーザー 3D プリントプロセス中の溶融池の断面形態を示しています。出典: 南京航空航天大学写真はレーザー 3D プリントプロセス中の溶融池の冷却速度を示しています。出典: 南京航空航天大学図 7 は、レーザー 3D プリント溶融プールの断面 SEM 画像です。出典: 南京航空航天大学図 8 は、レーザー 3D プリント部品の表面形態の SEM 画像です。出典：南京航空航天大学市場調査によると、Sigma Labs（NASDAQ：SGLB）に代表される国際企業は、アルゴリズムとメルトプール検出を使用して、レーザー3Dプリントプロセスの検査と制御を実現しています。Sigma Labsは、GE、EOS、Honeywell、Aerojet Rocketdyne、Farinia Group-Spartacus 3D、Siemens、Safran Group、Pratt & Whitney、Rolls Royce、Sisma（イタリア）、Michelin Wufu（フランス）、Aspect（日本）、Additive Industries、Renishaw、SpaceX、Moog Inc/Linear、BMW、Layerwise（3D Systems）など、3Dプリントエコシステムの多くの大企業と協力しています。 Sigma Labs は、監視方法とアルゴリズムをソフトウェアにアップグレードし、印刷品質をレイヤーごとにリアルタイムで制御する PrintRite3D® DEFORM™ ソフトウェアをリリースしました。
本論文では、南京航空航天大学が、複合材料の溶融池における強化相と溶融物との界面における熱および質量移動のシミュレーション、レーザービームと粉末粒子間の光固体結合プロセスのメソスコピックシミュレーション、および時間と空間の変化に基づくレーザー3Dプリント溶融池の凝固挙動のアクティブトラッキングなど、溶融池における粉末の溶融プロセスを理解するための一連の方法を確立した。これらの取り組みにより、金属3Dプリントのアルゴリズムに関して、わが国と国際社会の溝は埋められました。3Dサイエンスバレーは、南京航空航天大学がこの分野の研究成果に基づいて商用ソフトウェアを生み出すかどうかに引き続き注目していきます。

出典: 3Dサイエンスバレー

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