中国におけるレーザービームと粉末粒子の光固体結合プロセスのシミュレーション方法

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-2-21 16:15 に最後に編集されました。

金属3Dプリンターが普及した後、金属3Dプリント用粉末材料も普及しました。Antarctic Bearは以前、市場調査会社IDTechExが3Dプリント用金属粉末市場が2016年に予想を上回る2億5000万ドルに達したと発表したと報じました。 3D プリント金属粉末市場は高い成長傾向を維持するでしょう。IDTechEx は、市場規模が 2025 年までに 50 億米ドルに達し、年平均成長率は 39.5% になると予測しています。粉末粒子の大きさ、球形度、流動性については、鮮明な比喩があります。小麦粉のように、粉末が均一で細かいほど、加工された金属製品の表面品質が高くなります。ただし、粉末が細かくなるほど流動性が低下し、「焦げ付き」やすくなるという課題があります。南極クマは以前、3Dプリント金属粉末製造技術の現状を分析しました -南極クマは3Dプリント金属粉末の製造方法を明らかにしました

処理パラメータをどのように設定すべきか経験に頼るのではなく、アルゴリズムを使用して粒子スケールで粉末層の凝固、溶融、熱、質量移動のプロセスをシミュレートするにはどうすればよいでしょうか。 3Dサイエンスバレーの今回の号では、南京航空航天大学の顧東東教授のチームが、レーザー光線と粉末粒子間の光固体結合過程のミクロレベルのメソスコピックシミュレーションをどのように実現したかを、バレーの友人たちと一緒に学びましょう。
図：レーザーポイントと隣接する加熱された材料。レーザーと粉末層の作用メカニズムとプロセス制御に関する研究はこれまでほとんど行われていません。溶融池のシミュレーションは数多く行われ、一定の研究成果が得られていますが、市場の研究のほとんどは温度場と応力場のシミュレーションに焦点を当てています。処理パラメータを変更することで温度場と応力場の変化を観察し、異なる処理パラメータが成形部品の最終品質に与える影響を分析および予測します。確立されたモデルはすべてマクロレベルです。これらの研究では、粉末層を連続した均一な媒体とみなしており、これは粉末層をブロックとみなすことと同等であり、粉末粒子の積み重ねの特殊な構造の影響を考慮していません。

実際には、粉末粒子間の気孔の数が多いため、粉末によるレーザーの吸収はバルクの吸収とは異なります。空隙によるレーザーの吸収は黒体の吸収に似ています。レーザーは粉末層のより深い部分に浸透して反射できるため、材料のレーザー吸収率が大幅に向上します。また、粉末粒子の外表面は主に球形やその他の不規則な多面体であるため、表面積が大幅に増加し、粉末層表面の受光面積も増加します。この点でもバルク材料とは異なります。したがって、粉末層の凝固、溶融、熱および質量移動のプロセスを粒子スケールでシミュレートする必要があります。

市場における上記のような技術的欠陥に対応するため、南京航空航天大学の顧東東教授のチームは、レーザー光線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法を提供しました。粉末粒子の積層構造がレーザー吸収率に与える影響を考慮して、粉末粒子とレーザーの結合プロセスをメソスコピックスケールでシミュレートし、結合プロセスの温度を数値的にシミュレートして粉末粒子の溶融プロセスを記録する。処理パラメータを変更したり、温度場の変化を観察する必要はなく、これにより、既存の技術では粉末粒子の積層構造が軽固結合プロセスに与える影響を考慮せずにマクロレベルで溶融プールモデルを確立するという技術的問題を解決します。

手順は次のとおりです。
- メソスコピックスケールの粉体層の３次元ランダム分布粒子積層モデルを確立する。ここで、３次元ランダム分布粒子積層モデルは、メソスコピックスケールの粉体層部分と粉体層部分の上の空気領域とからなる計算領域に粉体粒子をランダムに充填することによって形成される。
- 3次元ランダム分布粒子スタッキングモデルの支配方程式を構築する。
- 多相流アルゴリズムを使用して、支配方程式の制約下で 3 次元ランダム分布粒子充填モデルを解き、メルトフロープロセスを取得します。
図：メソスコピックパウダーベッドモデルの概略図、出典：航空宇宙宇宙宇宙大学の図：純粋なAlsi10mg粒子モデルのグリッド分割図：南京航空大学および宇宙飛行士図：Alsi10mg+tic untis材料モデルの宇宙属の図の図Alsi10Mg粒子とレーザー結合プロセスの温度分布図：航空宇宙大学の宇宙大学の図：レーザー放射下でのAlsi10MG粒子溶融プロセスの動的進化図：出典：航空ヌーティクスのnanjing nanjing of Aeronautics fignagrams：evolution of form of form of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of of sevol of of of surs of：evema Jing Aeronautics and Astronautics大学航空宇宙大学宇宙宇宙大学のGu Dongdong教授のチームの技術的ソリューションには、次の利点があります。

利点 1 : 粉末層内の異なる材料の粒子のサイズ、粒子間の隙間のガス相の存在などの要因が考慮されます。ダストはもはや連続した均一な媒体とは見なされません。離散要素法を使用して、メソスコピックスケールから3次元空間にランダムに分布する粒子のスタッキングモデルを生成します。確立されたランダム分布スタッキングモデルは、粉末粒子の物理モデルに近く、レーザービームと粉末粒子間の光固体結合をシミュレートするための基礎を提供します。

利点2 ：ランダム分布スタッキングモデルの制御方程式を構築し、多相流計算モデルを確立し、圧力結合の質量、エネルギー、運動量伝達方程式を解くことで、軽固結合プロセスにおける温度を反復的に解きます。

利点3 ：軽固結合温度の数値シミュレーションにより、粉塵粒子の溶融記録が得られ、異なる時間における粒子の溶融、崩壊、流動によって3次元溶融池が形成される具体的なプロセスが観察されます。特定の断面と縦断面に沿った温度分布図、速度ベクトル図、焼結ネック形成図が得られます。シミュレーション結果に基づいて、焼結部品の密度と気孔の可能性のある位置を事前に予測できます。

レーザースポットは金属粉末を加熱し、各レーザースポットは微小溶融池を形成します。粉末の溶融から固体構造への冷却まで、スポットのサイズと電力によってもたらされる熱量によってこの微小溶融池のサイズが決まり、部品の微結晶構造に影響を与えます。南京航空航天大学の研究の既存技術への貢献はソフトウェア製品の形で反映され、高品質の製造の一貫性、制御性、追跡可能性が向上します。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
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